К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ ДЕФЕКТОВ СПЛОШНОСТИ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Мардамшин В.Р., Бакиев Т.А., Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р.

 

Дефекты сплошности сварных соединений создают большие риски во время длительной эксплуатации стальных трубопроводов, являясь концентраторами механических напряжений и обладая способностью быстро и непредсказуемо развиваться, приводя к неожиданному разрушению [1-6]. В механике разрушения, для объективной оценки опасности дефекта сплошности металла стального трубопровода, выявленного техническими средствами дефектоскопии, требуется определение формы, линейных размеров и ориентации дефекта относительно напряженного состояния металла. На основе этих эмпирических данных производится расчетная оценка концентрации механических напряжений около дефекта сплошности и его критичности для прочности металла.

При исследованиях естественных дефектов сплошности широко применяется модель дефекта, поверхность граней которого имеет форму эллипса [4-6]. Для расчета величины наибольшего механического напряжения около вершины бесконечно протяженного дефекта сплошности эллиптической формы (рис.1, дефект А) имеется формула:

σ_max = Pd/2t (1+2a/b),       (1)

где 2a, 2b – линейные размеры дефекта, σ₀ – номинальное механическое напряжение металла, величина которого для стальной трубы принимается равной окружному напряжению σ₀ = σ_y0 = Pd/2t [3], при этом:

– для вершины дефекта А: σ_{A max} = Pd/2t (1+2a/b),       (2а)

– для вершины дефекта Б: σ_{B max} = Pd/2t (1+2b/a),       (2б)

где Р – давление в трубе, d – внешний диаметр, t – толщина стенки трубы.

Рис.1. К оценке опасности дефектов сплошности металла в стальной трубе

 

Из формул 2 следует, что при равных внешних условиях σ_{A max} >> σ_{B max}, то есть дефект А представляет наибольшую опасность для трубы, а дефект Б – наименьшую. Более того, на раннем этапе размеры дефекта А могут быть на порядок меньше размеров дефекта Б, при этом дефект А всё равно будет опаснее дефекта Б, имея тенденцию к быстрому и непредсказуемому росту вследствие высокой концентрации напряжений. Согласно техническому регламенту [2, 7], степень опасности дефектов сплошности, выявленных при дефектоскопии стального трубопровода, определяется на основе сравнения его линейных размеров с заданными пороговыми значениями. При таком подходе рассмотренные дефекты сплошности А и Б будут классифицированы как одинаково опасные для прочности металла стальной трубы, что, однако, не в полной мере соответствует действительности.

Если учесть, что около опасных дефектов сплошности формируется область с повышенным напряженным состоянием металла, то, сопоставляя результаты его контроля с измеренными линейными размерами дефектов, можно достаточно уверенно оценивать их опасность.

Об этом свидетельствуют результаты проведенных натурных гидравлических испытаний стенда в виде двухтрубной плети, изготовленной из стальных труб бывшего в эксплуатации магистрального газопровода с наружным диаметром 530 мм (рис. 2).

Рис.2. Стенд для проведения гидравлических испытаний стального трубопровода на усталостную долговечность

1 – стальная заглушка, 2 – стальная труба, 3 – кольцевой электросварной шов, 4 – опора, 5 – испытательный шлейф, 6 – штуцер.

 

Для моделирования пятилетнего периода эксплуатации стального трубопровода испытательный стенд подвергался переменным нагрузкам с количеством циклов N=150. Испытание на усталостную долговечность проводилось путем гидравлического нагружения давлением, от минимального значения P_min = 2.6 МПа, до максимального P_max = 5.4 МПа, с выдержкой давления в течение 2 минут при каждом значении давления.

Для исследования процесса развития напряженного состояния стенда в процессе испытаний был использован индикатор механического напряжения металла ИН-02; для выявления и оценки линейных размеров дефектов был использован ультразвуковой дефектоскоп А1550 IntroVisor (рис.3).

  Рис.3. Индикатор механического напряжения металла ИН-02
и ультразвуковой дефектоскоп А1550 IntroVisor

 

При контроле напряженного состояния стенда индикатором механического напряжения металла ИН-02 перед началом испытаний в околошовных зонах продольных сварных швов труб были выявлены 8 областей с повышенным уровнем напряженного состояния металла (рис.4, 5), при этом в основном металле значительных концентраций напряжений не было выявлено (рис.6а).

В указанных местах с повышенным уровнем напряженного состояния металла, за исключением областей Н2 и Н7, ультразвуковым дефектоскопом А1550 IntroVisor были выявлены дефекты сплошности металла (рис.5), линейные параметры которых были измерены после завершения испытания методом послойной шлифовки дефектных участков металла и изучения их в лаборатории под микроскопом.

 

Рис.4. Схема расположения выявленных областей с повышенным напряженным состоянием металла и дефектов сплошности в продольных сварных швах

Н1 – свищ протяженностью 2.5 мм и глубиной 4 мм (Д1)	Н2 – дефект разделки кромок труб, размеры 1.5×2 мм, не выявлен УЗК
Н3 – скопление газовых пор диаметром 0.2-0.5 мм на глубине около 1 мм (Д2)	Н4 – скопление газовых пор диаметром 1.0-1.5 мм на глубине около 1 мм (Д3)
Н5 – газовая пора диаметром 1 мм на глубине 5 мм (Д4)	Н6 – дефект Д5, протяженность 2 мм будущее место разрушения трубы
Н7 – дефекты сплошности отсутствуют	Н8 – шлаковые включения 1.5×5 мм (Д6)

Рис.5. Дефекты сплошности в указанных областях с повышенным напряжением металла

 

Все выявленные области с повышенным напряженным состоянием, связаны с дефектами сплошности металла, за исключением Н7 (в которой видимые дефекты отсутствовали). Предполагается, что повышенный уровень механических напряжений металла в данной области связан с локальной неоднородностью структуры металла, либо элементного состава.

При проведении ультразвуковой дефектоскопии в области Н2 дефект разделки кромок шириной 1.5 и длиной 2 мм выявить не удалось из-за того что он был расположен в корне сварного шва, несмотря на то, что по показаниям индикатора механического напряжения металла ИН-02 в указанном месте наблюдался наиболее опасный уровень напряженного состояния металла в пределах данного сварного шва.

Согласно результатам контроля напряженного состояния металла, наиболее опасным из выявленных дефектов является дефект сварного шва Д5, создающий наибольшую концентрацию механического напряжения в околошовной зоне величиной 141 МПа.

Согласно результатам УЗК, наиболее опасным из выявленных дефектов сплошности металла представляется свищ Д1, имеющий наибольшие линейные размеры, и образовавшийся в результате выхода поры диаметром 2 мм и глубиной залегания 4 мм на внутреннюю поверхность трубы. Вторым по величине и опасности дефектом согласно результатам УЗК представляется дефект Д5, на момент начала испытаний имеющий протяженность 2 мм.

Однако, измеренный уровень напряженного состояния в околошовной зоне вблизи дефекта Д1 составляет всего 27 МПа, поэтому дефект Д1 был признан менее опасным, чем дефект Д5.

В процессе испытания стенда на усталостную долговечность после отключения давления через каждые 50 циклов проводилось исследование его напряженного состояния путем сканирования поверхности стенда индикатором механического напряжения металла ИН-02 по 12 профилям, примерно через каждые 140 мм.

Установлено, что на каждом цикле испытания происходит постепенное накопление усталости металла и увеличение общего уровня напряженного состояния (рис.6а, б, в). Однако, область Н6 не всегда удавалось выявить достаточно надежно на фоне общих изменений напряженного состояния из-за того, что ее протяженность, как будет установлено далее, значительно меньше выбранного интервала сканирования (расстояния между профилями).

На 150 цикле испытание на усталостную долговечность было решено прекратить и провести испытание на прочность, постепенно увеличивая внутреннее давление. При давлении 4.5 МПа область с повышенным уровнем напряженного состояния металла надежно детектируется индикатором механического напряжения металла ИН-02 (рис.6в). При дальнейшем увеличении давления контроль напряженного состояния стенда не производился по причине повышенной опасности. При давлении 14.5 МПа произошла разгерметизация стенда в указанной области Н6, на этом механические испытания были завершены.

Рис.6. Изменение напряженного состояния трубного стенда в процессе испытания на усталостную долговечность и при дальнейшем увеличении давления от 0 до 5.4 МПа

 

Для оценки протяженности распределения механических напряжений около вершины трещины в металле воспользуемся моделью краевой трещины из механики разрушения [6]. Распределение касательных (по отношению к поверхности трубы) напряжений описывается формулой:

        (3а)

Распределение нормальных напряжений описывается формулой:

        (3б)

где – коэффициент интенсивности механических напряжений для нормального отрыва металла, h – глубина трещины, t – толщина стенки трубы, (r, θ) – полярные координаты точки измерения механического напряжения относительно вершины трещины (рис.7).

Эффективное механическое напряжение металла, измеряемое индикатором ИН-02, приближенно представляет собой суперпозицию напряженного состояния металла вокруг трещины и напряженного состояния трубы без дефектов под действием давления P:

        (4)

где – суммарное окружное механическое напряжение; – суммарное нормальное механическое напряжение; – суммарное продольное механическое напряжение в металле над краевой трещиной. На рис.7 показано распределение эффективного механического напряжения согласно формуле (4) для трещин глубиной 1 мм, 3 мм, и 5 мм.

Полуширина распределения эффективного механического напряжения над краевой трещиной ∆x составляет около 30 мм и практически не зависит от глубины трещины.

Рис.7. Распределение эффективного механического напряжения над моделью краевой трещины при различной глубине трещины

Рис.8. Измеренное распределение механического напряжения в металле сварного шва от группы дефектов и от одиночного дефекта

На рис.8 приводится измеренное распределение механического напряжения в металле сварного шва стальной трубы диаметром 1420 мм от группы дефектов, и одиночного дефекта. При протяженности группы дефектов около 50 мм полуширина области с повышенным уровнем напряжений металла составляет более 80 мм; для одиночного точечного дефекта полуширина области концентрации напряжений составляет около 30 мм, что вполне согласуется с теоретической оценкой по формуле (4). Следует отметить, что данный параметр многократно превышает полуширину сигнала над дефектами сплошности, измеряемого магнитными и электромагнитными дефектоскопами [8].

Список литературы

1. Миторхин М.Ю., Велиюлин И.И., Касьянов А.Н. и др. Анализ средств и технологий технического диагностирования и отбраковки труб при проведении капитального ремонта линейной части магистральных газопроводов ОАО «Газпром». – Территория нефтегаз, 2010, №12, с.57-60.

2. СТО Газпром 2-2.3-095-2007. Методические указания по диагностическому обследованию линейной части магистральных газопроводов. Москва: ОАО «Газпром», 2008. - 43 с.

3. Дарков А. В., Шпиро Г. С. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1989. 624 с.

4. Партон В.З. Механика разрушения: От теории к практике. – М.: Наука, 1990. – 240 с.

5. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. Часть 1. Новосибирск: Наука, 2005. – 494 с.

6. Николаева Е.А. Основы механики разрушения. – Пермь: Издательство Пермского государственного технического университета, 2010. – 103 с.

7. ГОСТ Р 55724-2013. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.

8. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р., Коннов А.В. Некоторые особенности в распределении сигнала вихретокового преобразователя над дефектом сплошности металла в постоянном магнитном поле. – Контроль. Диагностика, 2013, № 8 (182), с.16-21.