УДК 620.179.16
ОСОБЕННОСТИ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ ЕМКОСТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ C РАССЛОЕНИЕМ СТЕНКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
И.А. Растегаев, А.В. Чугунов, А.Ю. Виноградов, Д.Л. Мерсон, А.В. Данюк
Выполнен анализ сигналов акустической эмиссии из зон расслоений стенки сосуда технологического происхождения при сопоставлении с данными, полученными у.з. способом, и расчетов на прочность. Определены границы выявляемости дефекта типа «расслоение» акустико-эмиссионным способом согласно действующей нормативно-технической документации. Предложен способ определения размеров, глубины залегания и ширины раскрытия расслоения с использованием акустико-эмиссионных данных и простых расчетных зависимостей, применимых в условиях контроля.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, расслоение стенки, неразрушающий контроль, техническая диагностика, емкостное оборудование.
ВВЕДЕНИЕ
Расслоение — дефект в виде трещины или группы трещин, залегающих внутри стенки корпусов емкостного оборудования (сосудов, аппаратов, трубопроводов, резервуаров), параллельных поверхности и ориентированных преимущественно в направлении проката, часто охватывающих значительную площадь и залегающих, как правило, посередине или в пределах 1/3 подповерхностной части стенки. По происхождению образование расслоения может быть технологическим или эксплуатационным. Технологические расслоения образуются при прокате из-за наличия в слитке металла внутренних дефектов [1]. В процессе эксплуатации расслоение стенки оборудования возникает преимущественно на нефтеперерабатывающих производствах (НПП) в результате насыщения металла водородом при его длительном контакте с водородсодержащими средами [2].
В настоящей работе рассмотрены особенности применения метода акустической эмиссии (АЭ) для выявления и контроля дефекта типа «расслоение стенки емкостного оборудования технологического происхождения». Отличительной особенностью данного расслоения является то, что его формирование происходит «одномоментно» еще при производстве и в эксплуатационный период длительное время не сопровождается никакими процессами трещинообразования до тех пор, пока давление водорода внутри расслоя не достигнет критического значения, что в случае работы не в водород-содержащих средах вообще не реализуется. Таким образом, обнаружение подобных неразвивающихся расслоений методом АЭ возможно только по
Игорь Анатольевич Растегаев, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы» ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет». Тел. 8-8482-53-92-83. E-mail: RastIgAev@ yandex.ru
Алексей Владимирович Чугунов, зам. нач. отдела технической диагностики по организации акустико-эмиссионного контроля промышленного оборудования Экспертной организации ООО «НПФ «Промэкспертиза». Тел. 8-8482-42-15-81. E-mail: jelezo_@mail.ru
Алексей Юрьевич Виноградов, канд. физ.-мат. наук, профессор, научный руководитель лаборатории «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы» ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет». Тел. 8-8482-54-63-03. E-mail: alexei. vino@gmail.com
Дмитрий Львович Мерсон, доктор физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой физического материаловедения ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет». Тел. 8-8482-53-91-96. E-mail: d.merson@tltsu.ru
Алексей Валериевич Данюк, начальник отдела лаборатории «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы» ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет». Тел. 8-8482-53-92-83. E-mail: alvdan@mail.ru
сигналам АЭ от трения берегов расслоя во время их замыкания/размыкания при наборе/сбросе давления. Очевидно, что обсуждаемая в данной работе методика может быть распространена и на контроль расслоений эксплуатационного происхождения, находящихся на ранних стадиях развития, когда расслоение уже сформировалось, но еще нет вздутия, а испытательного давления достаточно, чтобы обеспечить его замыкание.
Основанием для проведения работы послужили результаты, полученные при периодическом техническом диагностировании (ТД) промежуточной емкости газофракционирующей установки (ГФУ) одного из НПП.
Основные технические характеристики промежуточной емкости: внутренний диаметр емкости 3400 мм; общая длина емкости 22920 мм; материал цилиндрической обечайки 09Г2С ГОСТ 5520; толщина обечайки 26,0 мм; материал сферических днищ 17ГС ГОСТ 5520; толщина днищ 28,0 мм; способ изготовления емкости — сварка; рабочее давление 1,4 МПа; рабочая среда — сжиженный газ; рабочая температура 50 °С; испытательное давление емкости 2,3 МПа; состояние поверхности — нетеплоизоли-рована, окрашена.
Особенность сосуда состояла в том, что его стенка имеет расслоения технологического происхождения в нескольких зонах, которые сформировались при изготовлении листа во время проката слитка, содержащего газовые пузыри, и были обнаружены при выходном контроле на предприятии-изготовителе. Разрешением ГГТН СССР от 1984 г. емкость была допущена к эксплуатации с условием обязательного периодического у.з. контроля роста границ расслоения по схеме, представленной на рис. 1. Результаты
периодических у.з. измерений размеров расслоений, проведенные в период до 2004 г., не выявили их рост во время эксплуатации, а визуальный контроль в косом свете показал отсутствие выпучивания (блистеров) в местах расслоений. Ценность данного примера состоит в том, что в этом случае при гидроиспытании должны отсутствовать сигналы АЭ, связанные с развитием расслоения (процессами трещинообразования), но должны быть сигналы АЭ, связанные с трением берегов расслоения во время их замыкания/размыкания при наборе/сбросе давления.
Расслоения располагали параллельно стенке в местах А, В, С, М и Т (рис. 2). Параметры S, S1 и £2 определяли с учетом алгоритма и рекомендаций, предложенных в [3], на двух частотах контроля (2,5 и 5,0 МГц) по сетке сканирования с шагом 15 мм с двух сторон листа обечайки. Базой для построения сетки сканирования являлись реперные точки, привязанные к кольцевым и продольным сварным швам емкости. Среднее значение и
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Рис. 1. Схема оценки расслоения у.з. способом в оболочковом сварном изделии: Ь — размер расслоения в измеряемом направлении; 51 — толщина листа; и S2 — толщины стенки листа в месте расслоения; ДS — зазор расслоения; X — привязочный размер к реперной точке (сварной шов).
тт та 1Д
1460
IX
7000
(7)
-1—IX
11
9
7000
(10)
тг
12 "(13)
6000
14
9' ■е—
ц;
С
10
5Й
т
Л
2
5
6
9
6
4
7
2
5
8
Рис. 2. Схема общего вида и развертка емкости, схема расстановки преобразователей АЭ и локационная карта событий ( — границы зоны расслоения; — эллипсы рас-
сеивания событий АЭ; (-/) — (73) — невидимые преобразователи АЭ; вставки снизу — увеличенные места локационной карты в зонах расслоения).
погрешность измерений (5±85, 52±852) определяли по методу
Стьюдента. Измерения 5, и 52 проводили параллельно двумя у.з. приборами: толщиномером ТУЗ-2 (погрешность ± 0,1 мм) и дефектоскопом УД2-70 (погрешность ± 0,5 мм) производства НПФ «Луч». Среднюю ширину расслоения и погрешность ее расчета определяли по следующей формуле:
М = Б - 5 - 52 ±5М = ^852 +85^ + 5Б-2. (1)
Так как рельеф берегов расслоения представляет собой неровную отражающую поверхность акустических волн, следует ожидать уменьшение амплитуды эхоимпульсов с возможностью перехода момента срабатывания измерительной схемы у.з. приборов с первого на второй и последующие периоды колебания эхоимпульса. Изменение амплитуды сигнала без потери периода волны принципиально может привести к погрешности определения 5 и 52 до 1/4Х (где X — длина акустической волны на частоте у.з. преобразователя), а с потерей периода волны — к погрешности измерения в одну и более длин волн [4]. Поэтому анализ напряженно-деформированного состояния проведен по возможным из-за погрешности измерения глубинам зале-
гания расслоения в пределах 2А от среднего значения его местоположения,
определенного у.з. способом (S^, с шагом А/2, взятым по максимальной длине волны.
Учитывая положительные результаты ТД, емкость была допущена к проведению гидравлического испытания (ГИ) с применением метода АЭ. При анализе данных АЭ учитывали сведения о расположении и размерах дефектов, что позволило детально изучить особенности АЭ в емкости с расслоением стенки, а наличие в одном объекте нескольких зон с расслоением дало возможность выполнить статистическую оценку результатов.
Метод АЭ применяли в соответствии с требованиями и рекомендациями [5, 6]. Гидравлическое испытание было проведено 3 раза, первые два — до рабочего давления (Р б), а третье — до испытательного (Рисп) с тремя выдержками в каждом испытании. Первое испытание проводили для настройки аппаратуры АЭ, нагружающего оборудования и поиска активных источников АЭ, второе имело цель подтвердить выполнение эффекта Кайзера для данного объекта контроля. Так как в первых двух испытаниях не выявлено активных источников АЭ, кроме зон А — Т, значит (согласно нашему подходу) в третьем испытании сигналы АЭ в зонах А — Т могут быть связаны только с расслоениями (см. рис. 2). Именно поэтому результаты третьего испытания и легли в основу данной работы. Все три испытания были выполнены в течение одного светового дня без разборки аппаратуры АЭ и корректировки ее настроек.
Основные технические характеристики и настройка аппаратуры при реализации метода АЭ: 24-канальная система DiSP Samos 24 (PCI-8) с преобразователями АЭ (ПАЭ) типа R6I-AST производства Physical Acoustics Corporation, США, полоса пропускания ПАЭ 40 — 120 кГц — с резонансом на 65 кГц (согласно паспортам ПАЭ), полоса пропускания каналов АЭ составляла 20 — 400 кГц; разрядность 16 бит; частота дискретизации 1 МГц; коэффициент предварительного усиления 40 дБ, основного — 0 дБ; порог дискриминации — фиксированный 30 дБ; уровень собственных и производственных шумов не превышал 25 дБ; динамический диапазон аппаратуры 75 дБ. Контроль проводили на волнах с фактической скоростью 3050 м/с. Фактический коэффициент затухания составил 3,8
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.