УДК 620.179.14
МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТЕНКИ
ГАЗОВОГО СЕПАРАТОРА ПРИ ЕГО ГИДРОИСПЫТАНИЯХ
© 2019 г. С.М. Кулак1,*, В.Ф. Новиков1, В.В. Проботюк1, С.М. Ваценков2, Е.С. Фурсов2
1Тюменский индустриальный университет, Россия 625000 Тюмень, ул. Володарского, 38
2Тюменский экспериментальный завод ООО «Газпром проектирование», Россия 625047 Тюмень,
ул. Старый Тобольский тракт 5 км, 6
Поступила в редакцию 09.01.2018; после доработки 10.09.2018;
принята к публикации 02.11.2018
Проведены исследования напряженного состояния газового сепаратора при его гидроиспытаниях методом магнито-
упругого размагничивания. Получены корреляционные зависимости между уровнем магнитоупругого размагничивания
сложнонагруженной стенки газового сепаратора и величиной испытываемых ею кольцевых, меридиональных и эквива-
лентных напряжений. Уровень магнитоупругого размагничивания остаточно-намагниченной стенки объекта исследова-
ния, нагружаемого внутренним давлением, оценивался по изменению напряженности ее магнитного поля рассеяния,
измеренной вдоль нормали (Hn) и касательной (Hτ) к поверхности. Установлено, что рост механических напряжений в
стенке сепаратора до половины значения предела текучести стали, из которой он изготовлен, вызывает заметное необ-
ратимое уменьшение нормальной (Hn) и тангенциальной (Hτ) составляющих напряженности ее магнитного поля рассе-
яния остаточно-намагниченного участка. Показано, что метод магнитоупругого размагничивания обладает наибольшей
чувствительностью к механическим напряжениям, простотой реализации и экспрессностью по сравнению с коэрцити-
метрическим и тензометрическим методами.
Ключевые слова: стальной сосуд, газовый сепаратор, напряженное состояние стали, намагничивание, магнитоупру-
гое размагничивание, магнитное поле рассеяния остаточно-намагниченной стали.
DOI:10.1134/S0130308219030072
ВВЕДЕНИЕ
Стальные сосуды, испытывающие внутреннее давление широко применяются в различных
отраслях промышленности. Это газовые баллоны, паровые котлы, газо- и нефтехранилища, резер-
вуары, ресиверы, цистерны, газовые сепараторы, трубопроводы, дренажные емкости и т.д., многие
из которых относят к опасным промышленным объектам. В процессе производства и последующей
эксплуатации сосудов проводится контроль, диагностика их качества и работоспособности [1, 2].
Диагностика выполняется с применением физических методов неразрушающего контроля, направ-
ленных на выявление различного рода поверхностных, внутренних, сквозных дефектов, таких как
несплошность металла, непровары, трещины, волосовины, закаты флокены и т.д. Такого рода
дефекты выявляют в ходе предэксплуатационных гидроиспытаний с применением рентгеновских,
ультразвуковых, капиллярных, магнитных, акустико-эмиссионных, порошковых и других методов
неразрушающего контроля [3]. Однако на практике неразрушающему контролю механических
напряжений стенок сосудов, создаваемых действием внутреннего давления и усиливающихся в
процессе коррозии под влиянием воздействия содержащегося в них продукта и окружающей среды,
предусмотренной ГОСТом [4, 5], не уделяется должного вынимания.
Диагностирование напряженного состояния сосудов высокого давления и оценка степени его
опасности на основе данных контроля механических напряжений — один из наиболее эффектив-
ных методов повышения надежности эксплуатации таких конструкций.
Реальные условия эксплуатации сосудов чрезвычайно разнообразны и учесть их при расчетах
в полной мере невозможно. Так, согласно ГОСТу Р 52857.1—2007, для углеродистых и низколеги-
рованных сталей коэффициенты запаса прочности по пределу текучести в рабочих условиях и
условиях испытания имеет разброс значений от 1,5 до 1,1 и по временному сопротивлению до 2,4.
Для контроля механических напряжений стальных конструкций применяются различные при-
борные методы: тензометрический, рентгеновский, оптический, ультразвуковой, магнитный (коэр-
цитиметрический, электромагнитный, метод скачков Баркгаузена, метод магнитоупругой памяти,
метод магнитной памяти) и некоторые методики расчета [6—8]. Однако, как показано в работах [9,
10—12], метод магнитоупругой памяти (магнитоупругого размагничивания), примененный для кон-
троля напряжений стального баллона при создании в нем внутреннего давления не более 3 МПа [13]
обладает большей чувствительностью к многоосным деформациям стали, чем, например, коэрци-
тивная сила Hc. Однозначная трактовка механических напряжений стальной конструкции по Hc воз-
Магнитный контроль напряженного состояния стенки газового сепаратора...
39
можна в основном для случая ее одноосного нагружения [14, 15], но в результате создания равных
ортогональных напряжений в стали вдоль двух осей ее коэрцитивная сила мало изменяется, так как
не создается анизотропия напряжений и связанная с ней магнитная текстура [14, 16].
Метод магнитоупругого размагничивания при компрессионных испытаниях заключается в том,
что стенку контролируемого сосуда локально намагничивают, ее поверхность сканируют датчиком
магнитного поля, измеряют начальное значение напряженности магнитного поля рассеяния
(НМПР) остаточно намагниченной стенки. Затем, увеличивая давление внутренней среды сосуда
до нормативных значений, регистрируют убыль НМПР остаточно намагниченной стальной обо-
лочки. По уровню магнитоупругого размагничивания (изменению НМПР остаточной намагничен-
ности) оцениваются механические напряжения в каждой точке контролируемой поверхности.
Поскольку магнитоупругая чувствительность остаточно намагниченной стали к упругим
напряжениям (или деформациям), определяемая отношением изменения НМПР к напряжениям σ,
их вызвавшим, обратно пропорциональна ее коэрцитивной силе Hc [11], то практический интерес
представляет исследование коэрцитивной силы стенки сосуда.
Цель работы — изучение возможности применения метода (эффекта) магнитоупругого раз-
магничивания стали для контроля напряженно-деформированного состояния стенки сосуда с
внутренним давлением.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
выбор промышленного образца для исследований, в котором создается внутреннее давление;
разработка способа и средства намагничивания протяженного образца при его магнитном
неразрушающем контроле;
установление закономерностей изменения НМПР остаточно-намагниченной стенки протяженно-
го сосуда с ростом эквивалентных механических напряжений, создаваемых внутренним давлением;
исследование распределения коэрцитивной силы вдоль стенки стального сосуда в не нагружен-
ном внутренним давлением состоянии.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Натурные испытания магнитоупругого метода контроля механических напряжений стенок
сосудов, находящихся под внутренним давлением, были проведены на входном газовом фильтре-
сепараторе.
Фильтр-сепаратор газа ТНГГ-1-Т118.00.00.000 (рис. 1) изготовлен из листовой стали 09Г2С и
имеет цилиндрическую форму. Толщина боковой стенки сепаратора составляет 80 мм, его длина —
8 м, внешний диаметр — 1,6 м, рабочее внутреннее давление такого типа сепараторов 16 МПа,
испытательное (пробное) давление — не более 20 МПа.
Сепаратор после сборки и термической обработки в течение ~2,5 ч при температуре 650 ºС
исследуют на предмет выявления дефектов металлургического и сварочного происхождения с при-
менением неразрушающих методов ультразвукового, визуального, капиллярного, рентгеновского
контроля. Далее выполняется процедура его гидравлических испытаний согласно ГОСТу
Р 52630—2012, которая заключается в том, что сепаратор заполняется водой при минимальном
давлении (~1 МПа) и выдерживается в этом состоянии не менее 24 ч. Затем по истечении срока
выдержки происходит поэтапная закачка воды до испытательного давления не более 20 МПа и
визуальный контроль сварных швов. При этом регламентом предэксплуатационных испытаний не
предусмотрен контроль механических напряжений стенок сепаратора.
В ходе гидравлических испытаний такого сепаратора проводились исследования магнитоупру-
гого размагничивания его стенки. Для этого на боковой поверхности вдоль образующей были
намагничены (3-5 раз) устройством колесного типа [13] две пары меридиональных линий (N—S)
длиной 3 м (см. рис. 1), на каждой из которых в десяти равноудаленных на расстоянии 0,3 м друг
от друга точках проводились измерения максимумов нормальной Hn и тангенциальной Hτ состав-
ляющих НМПР остаточно-намагниченной стенки после каждого увеличения внутреннего давле-
ния в сепараторе. Перемещение намагничивающего устройства вдоль меридиональных линий
стенки газового сепаратора, на которой были расположены 10 контролируемых точек, происходи-
ло таким образом, чтобы эта линия всегда приходилась на середину межполюсного расстояния
этого устройства.
Устройство для намагничивания Н-образного типа состоит из двух полюсных наконечников в
виде колес в форме усеченного конуса (h = 60, d1 = 70, d2 = 65 мм), изготовленных из стали 20,
между которыми находится дисковый магнит (SmCo5) диаметром 50 и толщиной 30 мм. Такая
форма колес позволяет обеспечить их контакт с минимальным зазором с поверхностью стенки
Дефектоскопия
№ 3
2019
40
С.М. Кулак, В.Ф. Новиков, В.В. Проботюк и др.
а
Область измерений Hc
Точка № 1
№ 10
Шов
Область намагничивания и измерения Hn, Hτ
Точка № 1
№ 10
б
1
5
1 2 3 4
10
6
3
2
4
Рис. 1. Схемы газового сепаратора ТНГГ-1-Т118.00.00.000 (а) и его локального намагничивания (б) перед гидроиспытаниями:
1 — корпус сепаратора; 2 — решетчатая перегородка; 3 — Н-образное намагничивающее устройство (колесное); 4 — участок оста-
точно-намагниченной стенки после сканирования ее поверхности Н-образным устройством; 5, 6 — точки измерения (№ 1—10)
максимума тангенциальной Hτ и нормальной Hn составляющих напряженности магнитного поля рассеяния остаточно-намагничен-
ной стенки соответственно.
сепаратора и ее равномерное намагничивание. Ширина каждой намагниченной полосы N или S
сравнима с толщиной стенки исследуемого сосуда и на порядок больше размера измеряющего
феррозондового датчика магнитометра. Магнитная индукция в межполюсном пространстве такого
устройства равна ~380 мТл. Для уменьшения влияния внешнего поля и внутренней намагничен-
ности стали на магнитные поля рассеяния стенки создавались две пары участков (N—S), намаг-
ниченных встречно друг к другу и поперек меридиональной линии. Такой способ создания оста-
точной намагниченности протяженных металлоконструкций предложен и исследован в [17, 18]. В
этом случае размагничивающий фактор формы остается постоянным, что позволяет отслеживать
изменения структуры и внутренние остаточные напряжения в стали по уровню ее магнитоупруго-
го размагничивания и исключить влияние внешних магнитных полей на результаты измерений.
Сосуд сепаратора размещался горизонтально и заполнялся водой при давлении в 1 МПа.
Оценивалось исходное магнитное состояние его стенки, для чего проводилось измерение нормаль-
ной Hn и тангенциальной Hτ оставляющих магнитного поля в выбранных 10 точках, которые пока-
заны на рис. 1 и расположены вдоль каждой из двух меридиональных линий цилиндрического
сосуда. Регистрацию поля осуществляли при помощи феррозондового магнитометра ИКНМ-2ФП.
Затем следовало намагничивание стенки в виде двух пар полос N—S, перемещаемым по ее
поверхности Н-образным устройством, аналогичные измерения максимумов нормальной Hn1 и
тангенциальной Hτ1 составляющих напряженности магнитного поля рассеяния остаточно-намаг-
ниченной стенки в десяти точках каждой намагниченной полосы N—S, поэтапное увеличение
давления P от 1 до 18 МПа с интервалом 3 МПа и следующее за этим измерение составляющих
Hni и Hτi.
Для измерения Hni в десяти точках каждой намагниченной полосы ось феррозондового датчика
располагали перпендикулярно поверхности стенки по центру линий N и S (см. рис. 1) перемеще-
ния полюсных наконечников намагничивающего устройства. Составляющую Hτi измеряли, рас-
положив феррозонд вдоль касательной к поверхности стенки, рабочей осью перпендикулярной
средней линии межполюсного пространства и направленной от N к S. Полученные результаты
измерения Hni на полосах N и S обеих меридиональных линий, а также Hτi усреднялись для исклю-
чения влияния внешних магнитных полей и поля остаточной намагниченности стали на результа-
ты измерений H и повышения их точности.
Дефектоскопия
№ 3
2019
Магнитный контроль напряженного состояния стенки газового сепаратора...
41
Измерение коэрцитивной силы стенки газового сепаратора проводили на меридиональной
линии протяженностью ~3 м, выделенной с диаметрально противоположной стороны относитель-
но одной из полос остаточной намагниченности (N—S), в десяти точках, равноудаленных на рас-
стоянии 0,3 м друг от друга, с помощью коэрцитиметра-структороскопа КРМ-Ц-К2М. Для исклю-
чения возможного влияния намагниченности стенки сепаратора и поля остаточной намагничен-
ности полос (N—S) на результаты измерения, коэрцитивную силу Hc⊥1 в каждой контролируемой
точке определяли, расположив ось полюсных наконечников измерительного блока КРМ-Ц-К2М
вдоль направления действия кольцевых напряжений (перпендикулярно оси сепаратора), развора-
чивали блок на 180º и повторно измеряли Hc⊥2 . Аналогичным образом поступали при измерении
продольной составляющей H
||1 и H
||2 на линии действия меридиональных напряжений. Результаты
этих измерений усреднялись между собой до значений Hc⊥ и H|| соответственно. После каждого
этапа контролируемого изменения внутреннего давления сепаратора измерялись напряженность
магнитного поля рассеяния его остаточно намагниченной стенки, ее коэрцитивная сила и дефор-
мация (тензометрическим способом).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Величины меридиональных (осевых) (σм) и кольцевых (σк) механических напряжений, созда-
ваемых в стенке сепаратора действием внутреннего давления в ходе проводимых исследований,
определены по результатам тензометрических измерений ее деформации вдоль соответствующих
направлений [19, 20]. Для этого на уровне контролируемой точки № 6 за сутки до гидроиспытаний
были наклеены по одному тензорезистору вдоль и перпендикулярно оси сепаратора, с применени-
ем клея «Циакрин ЭО», обладающим низким коэффициентом термического расширения.
Особенностью расчета напряжений в тонкостенных аппаратах, у которых толщина стенки h
много меньше диаметра D (h/D ≤ 0,05), является то, что можно пренебречь радиальными напря-
жениями σr, величина которых невелика и по абсолютному значению не превышает давление
среды в аппарате. В этом случае напряженное состояние тонкостенных аппаратов можно считать
плоским. В соответствии с безмоментной теорией расчета тонкостенных оболочек, в них дей-
ствуют кольцевые σк (в первом главном сечении) и меридиональные напряжения σм (во втором
главном сечении), совместное действие которых оценивается по величине эквивалентных напря-
жений σэкв [19, 20]. Для исследуемого сепаратора с внутренним давлением P = 18 МПа расчет
указанных напряжений дает следующие результаты: σк ≈ 160 МПа, σм ≈ 80 МПа, σэкв ≈ 155 МПа.
Уровень эквивалентных напряжений в стенке газового сепаратора, вызываемых внутренним
давлением (P = 18 МПа), по результатам тензометрических измерений ее кольцевой и меридио-
нальной деформации в точке № 6 и применения энергетической теории прочности составил
порядка 85 МПа (рис. 5).
Распределение продольной H||, поперечной Hc⊥ коэрцитивной силы и их среднего значения
<Hc> по длине меридиональной линии стенки не нагруженного (без давления) сепаратора приве-
дено на рис. 2.
2,9
2,4
1,9
0
0,5
1
1,5
2
2,5
L, м
||
Рис. 2. Распределение продольной H
(■) и поперечной Hc⊥ (♦) коэрцитивных сил, их среднего значения <Hc> (▲)
вдоль выделенной для исследований меридиональной линии корпуса сепаратора без внутреннего давления.
Обращает на себя внимание, что величины H|| и Hc⊥ в интервале L = 0,7—1,4 м практически
одинаковы, близки к значению 220 А/м. На отрезке меридиональной линии 1,4—1,9 м наблюдает-
||
ся анизотропия H
< Hc⊥. По краям выделенной линии в интервалах L = 0—0,65 и 1,9—2,7 м суще-
||
ствует анизотропия Hc, но другого знака: H
> Hc⊥ . В частности, H|| продольная примерно на 50 А/м
больше, чем поперечная Hc⊥ . Ввиду симметрии распределения Hc эти отличия вызваны неодина-
ково быстрым охлаждением сварных швов и решетчатых перегородок по сравнению со средней
частью сепаратора в ходе его термической обработки. В результате создается кольцевая магнитная
Дефектоскопия
№ 3
2019
42
С.М. Кулак, В.Ф. Новиков, В.В. Проботюк и др.
текстура напряжений, обусловленная кольцевыми растягивающими напряжениями. Среднее зна-
чение <Hc> по краям выделенной линии выше, чем в середине примерно на 25-50 А/м, что может
говорить о меньшей магнитоупругой чувствительности остаточно-намагниченной стали здесь, чем
в середине.
Распределение усредненных по обеим полосам N—S результатов измерения Hτ и Hn составляю-
щих НМПР вдоль остаточно-намагниченной стенки сепаратора при разных уровнях кольцевых и
меридиональных напряжений показано на рис. 3 и 4 соответственно.
200
150
100
50
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
L, м
Рис. 3. Распределение тангенциальной Hτ составляющей напряженности магнитного поля рассеяния вдоль образующей L
остаточно-намагниченной стенки газового сепаратора при внутреннем давлении P (МПа):
▬ 1 (исходное состояние); ♦ ~ 1 (после намагничивания); ■ ~ 3; ▲ ~ 6; × ~ 9; ж ~ 12; ● ~ 15; + ~ 18.
250
200
150
100
50
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
L, м
Рис. 4. Распределение нормальной Hn составляющей напряженности магнитного поля рассеяния вдоль образующей L оста-
точно-намагниченной стенки газового сепаратора при внутреннем давлении P (МПа):
▬ 1 (исходное состояние); ♦ ~ 1 (после намагничивания); ■ ~ 3; ▲ ~ 6; × ~ 9; ж ~ 12; ● ~ 15; + ~ 18.
Намагничивание меридиональных линий Н-образным устройством при давлении в сепараторе
P = 1 МПа (см. рис. 3 (♦) и 4 (♦)) приводило к неравномерному распределению напряженности
магнитного поля рассеяния вдоль его остаточно-намагниченной стенки. Увеличение внутреннего
давления сепаратора вызвало монотонное размагничивание стенки. При этом изменение ∆Hτi =
= Hτi - Hτ1 тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния, вызванного
действием кольцевых напряжений, оказалось больше, чем ∆Hni = Hni - Hn1.
Для количественного описания наблюдаемых явлений магнитоупругого размагничивания
стенки сепаратора и их анализа использовали изменение относительных величин δHτi = ∆Hτi/Hτ1
и δHni = ∆Hni/ Hn1.
На рис. 5 показаны зависимости δHτ и δHn от эквивалентных механических напряжений (σэкв),
создаваемых в точке № 6 стенки газового сепаратора внутренним давлением и рассчитанных по
результатам тензометрических измерений ее деформации вдоль кольцевого и меридионального
направлений.
Чувствительность магнитоупругого метода к механическим напряжениям стенки сепаратора
наименьшая в диапазоне от 25 до 85 МПа и составила K ~ 10-2—10-3 МПа-1 (см. рис. 5), в то время
как диапазон чувствительности тензометрического метода к упругим напряжениям в стенке сталь-
ного баллона в [13] и газового сепаратора в настоящем исследовании оценивается
~ 10-5 —
10-6 МПа-1.
Зависимости δHn, δHτ = f(σэкв) (см. рис. 5) были использованы, как калибровочные для преоб-
разования максимального уровня магнитоупругого размагничивания стенки сепаратора во всех
остальных девяти контролируемых точках в соответствующие эквивалентные механические
Дефектоскопия
№ 3
2019
Магнитный контроль напряженного состояния стенки газового сепаратора...
43
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
20
40
60
80 σ
, МПа
экв
Рис. 5. Зависимость относительного изменения тангенциальной δHτ (♦) и нормальной δHn (■) составляющих напряжен-
ности магнитного поля рассеяния остаточно-намагниченной стенки газового сепаратора в контролируемой точке № 6 от
создаваемых внутренним давлением эквивалентных σэкв механических напряжений.
110
100
90
80
70
60
50
40
Вблизи сварного шва
30
20
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
L, м
Рис. 6. Распределение максимальных эквивалентных механических напряжений (σэкв), создаваемых внутренним давле-
нием в 18 МПа вдоль боковой стенки сепаратора, по результатам тензометрической калибровки уровня ее магнито-
упругого размагничивания в точке № 6.
напряжения (σэкв), распределение которых вдоль исследуемого участка протяженностью L стенки
сепаратора показано на рис. 6.
Видно, что при нагружении стенки сепаратора внутренним давлением в каждой ее точке реа-
лизуются различные по величине механические напряжения. Такое неравномерное распределение
механических напряжений в стенке объясняется ее неодинаковой деформацией, отличием механи-
ческих свойств стали, наличием скрытых дефектов сплошности, особенностями конструкции,
структурой стали и влиянием термической обработки.
Наименьший уровень напряжений (порядка 40 МПа) в стенке газового сепаратора определен в
точках под номерами 1 и 8, которые были расположены согласно его схеме (см. рис. 1а) в местах
упрочненных стыковочными сварными швами и вваренными внутри решетками-перегородками.
Максимальный уровень (~ 100 МПа) напряжений наблюдается в точке № 2. Среднее значение
эквивалентных напряжений для 8 точек, расположенных вдали от стыковых швов, составило
~ 90 МПа, что примерно на 30-40 % ниже, аналогичного значения определенного расчетным мето-
дом по безмоментной теории тонких оболочек [19, 20].
Максимальный уровень эквивалентных напряжений, испытываемых стенкой газового сепарато-
ра в ходе его гидроиспытаний при установлении в нем пробного внутреннего давления P = 18 МПа,
гораздо ниже предела текучести стали 09Г2С (σ0,2 ~ 400 МПа) и примерно в два раза меньше допу-
скаемых напряжений [σ], рассчитанных по предельным нагрузкам. Допускаемое напряжение [σ] для
рабочих условий работы такого сосуда из стали 09Г2С, рассчитанных по пределу текучести согласно
ГОСТу Р 52857.1—2007, составляют 183 МПа. Условием прочности цилиндрической оболочки в
ГОСТ Р 52857.11—2007 указано ее максимальное напряжение σmax ≤ 1,5∙[σ], которое для исследуе-
мого сепаратора выполняется (100 < 275 МПа). Такое заметное отличие между допускаемыми усло-
вием прочности и максимальными рабочими напряжениями обеспечивается высоким уровнем коэф-
фициента запаса прочности такой конструкции, закладываемого при ее расчетах. Согласно техниче-
скому паспорту исследуемого газового сепаратора, при его расчетах заложен двукратный запас
прочности по пределу текучести с учетом припусков на коррозию и технологию изготовления.
Таким образом, можно заключить, что допуски на коррозию и технологию изготовления сосу-
дов c внутренним давлением, регламентируемые соответствующими нормативами, в большинстве
Дефектоскопия
№ 3
2019
44
С.М. Кулак, В.Ф. Новиков, В.В. Проботюк и др.
случаев установлены исходя из технологических возможностей предприятий и не имеют количе-
ственного обоснования с позиций несущей способности, прочности и пластичности конструкции.
Следовательно, контроль напряжений и оценка фактической прочностной надежности сосудов с
внутренним давлением является весьма актуальной задачей, решение которой может способство-
вать разработке нового, менее консервативного подхода в определении предельных допусков при
их проектировании, конструировании и изготовлении.
Точное определение напряжений в стенках сосудов с внутренним давлением и других сталь-
ных конструкциях такого рода приборными неразрушающими методами контроля позволит сни-
зить многократный запас их прочности, закладываемый при конструировании и расчетах. Тем
самым будет снижен объем затраченного при их производстве материала, а, следовательно, и
уменьшена себестоимость их изготовления.
Наличие зависимостей магнитоупругого размагничивания δH = f(σ) позволяет контролировать
механические напряжения в стенках сосудов под давлением. Предлагаемый способ диагностики
напряженно-деформированного состояния сложнонагруженного сосуда в отличие от тензометри-
ческого метода отличается своей простотой, быстротой реализации и оперативностью проведения
диагностики, низкой стоимостью.
ВЫВОДЫ
Установлено, что рост механических напряжений в стенке газового сепаратора, создаваемых
внутренним давлением, не превышающих половины предела текучести (σ0,2) стали, вызывает ее
существенное (~ 90 %) монотонное магнитоупругое размагничивание.
Определено неодинаковое изменение напряженности магнитного поля рассеяния в разных точ-
ках остаточно-намагниченной стенки газового сепаратора при равномерном увеличении внутренне-
го давления до 18 МПа, вызванное особенностями его конструкции и термической обработки.
Благодаря тензометрической калибровки уровня магнитоупругого размагничивания стенки
газового сепаратора при его гидроиспытаниях проведена оценка и установлен диапазон (40—
100 МПа) максимальных эквивалентных механических напряжений, создаваемых в разных ее точ-
ках внутренним давлением в 18 МПа, что соответствует 2—7-кратному запасу прочности. На
основании проведенных исследований можно полагать, что для конструкций, относящихся к
стальным сосудам, допуски на коррозию и технологию изготовления при расчетах на прочность
по предельным состояниям в нормативных документах даны с излишним запасом, что приводит к
повышению их металлоемкости, уровня сложности и себестоимости.
Предложено использовать метод магнитоупругого размагничивания сталей для экспресс-кон-
троля напряженно-деформированного состояния металлоконструкций, испытывающих в процессе
испытаний и эксплуатации многоосные деформации (сосуды высокого давления, трубопроводы
при их опрессовке и т.д.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ПБ 03-576-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под
давлением.
2. Федеральный закон № 116 от 20.06.1997 г. «О промышленной безопасности опасных произ-
водственных объектов».
3. РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического
состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. [Текст]. Введ. 2001.09.06.
М.: Госгортехнадзор России, 2001. 86 с.
4. СТО Газпром 2-2.3-491-2010. Техническое диагностирование сосудов, работающих под дав-
лением на объектах ОАО «ГАЗПРОМ».
5. Даникина Т.С., Туребаева Р.Д., Актаукенова Г.С. Влияние изменения перепада давлений на
напряженное состояние неоднородного полого цилиндра // Строительная механика и расчет соору-
жений. 2013. № 6. С. 46—49.
6. Дубов А.А., Демин Е.А., Миляев А.И., Стеклов О.А. Опыт контроля напряженно-деформиро-
ванного состояния газопроводов с использованием метода магнитной памяти металла в сравнении
с традиционными методами и средствами контроля напряжений // Контроль. Диагностика. 2002.
№ 4. С. 53—56.
7. Неразрушающий контроль / Справочник. В 8 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 6. В 3 кн.
Кн. 1: В.В. Клюев, В.Ф. Мужицкий, Э.С. Горкунов, В.Е. Щербинин. Магнитные методы контро-
Дефектоскопия
№ 3
2019
Магнитный контроль напряженного состояния стенки газового сепаратора...
45
ля. Кн. 2: В.Н. Филинов, А.А. Кеткович, М.В. Филинов. Оптический контроль. Кн. 3:
В.И. Матвеев. Радиоволновой контроль. 2-е изд., испр. М.: Машиностроение, 2006. 832 с.
8. Неразрушающий контроль / Справочник. В 8 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3: И.Н. Ермолов,
Ю.В. Ланге. Ультразвуковой контроль. 2-е изд., испр. М.: Машиностроение, 2006. 864 с.
9. Мужицкий В.Ф., Попов Б.Е., Безлюдько Г.Я. Магнитный контроль напряженно-деформиро-
ванного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций подъемных сооружений
и сосудов, работающих под давлением // Дефектоскопия. 2001. № 1. С. 38—46.
10. Горкунов Э.С. Различные состояния остаточной намагниченности и их устойчивости к
внешним воздействиям. К вопросу о «Методе магнитной памяти» // Дефектоскопия. 2014. № 11.
С. 3—21.
11. Новиков В.Ф., Важенин Ю.И., Бахарев М.С., Кулак С.М., Муратов К.Р. Диагностика мест
повышенной разрушаемости трубопровода. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2006. 200 с.
12. Костин В.Н., Царькова Т.П., Ничипурук А.П., Лоскутов В.Е., Лопатин В.В., Костин К.В.
Необратимые изменения намагниченности как индикаторы напряженно-деформированного состо-
яния ферромагнитных объектов // Дефектоскопия. 2009. № 11. С. 54—67.
13. Kulak S.M., Novikov V.F., Baranov A.V. Control of Mechanical Stresses of High Pressure
Container Walls by Magnetoelastic Method. Transport and Storage of Hydrocarbons IOP Publishing IOP
Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. V. 154. P. 012004. doi:10.1088/1757-
899X/154/1/012004.
14. Захаров В.А., Ульянов А.И., Горкунов Э.С. Закономерности изменения коэрцитивной силы
при двухосном асиметричном деформировании стали Ст3 // Дефектоскопия. 2010. № 3. С. 55—69.
15. Матюк В.Ф., Кулагин В.Н. Контроль структуры, механических свойств и напряженного
состояния ферромагнитных изделий методом коэрцитиметрии // Неразрушающий контроль и диа-
гностика. 2010. № 3. С. 1—14.
16. Новиков В.Ф., Захаров В.А., Ульянов А.И., Сорокина С.В., Кудряшов М.Е. Влияние двухос-
ной упругой деформации на коэрцитивную силу и локальную остаточную намагниченность кон-
струкционных сталей // Дефектоскопия. 2010. № 7. С. 59―68.
17. Новиков В.Ф., Прилуцкий В.В. Свойства остаточной намагниченности в виде полосы и воз-
можности ее использования для неразрушающего контроля // Дефектоскопия. 2014. № 7. С. 24—30.
18. Способ контроля механических свойств стальных металлоконструкций и упругих напряже-
ний в них и устройство для его осуществления / Пат. 2424509 РФ № 2009148804/28; заявл.
28.12.2009; опубл. 20.07.2011.
19. Расчет на прочность тонкостенных оболочек вращения и толстостенных цилиндров /
Метод. пособие. Сост. В.Ф. Першин, Ю.Т. Селиванов. 3-е изд. Тамбов: Изд-во Тамбовского. гос.
техн. ун-та, 2004. 20 с.
20. Рудаченко А.В., Саруев А.Л. Исследование напряженно-деформированного состояния тру-
бопроводов / Уч. пособие. Национальный исследовательский Томский политехн. ун-т (ТПУ).
Томск: Изд-во ТПУ, 2011. 136 с.
Дефектоскопия
№ 3
2019
