Отдел по работе с клиентами:

+7 (495) 789-76-55

Адреса в других городах: 
Томск 
Самара
Нижний Новгород

В настоящее время для количественной оценки НДС конструкций применяется значительное количество методов: тензометрия, электромагнитные (магнито-упругие, магнито-анизотропные), акустические (УЗК), голографические, АФЧХ – тестирование, измерение твердости, расчетные методы (по геодезическим данным). Анализ результатов многочисленных экспериментов показывает, что в реальных полевых условиях эксплуатации газопроводов ни один из этих методов не может обеспечить получение достоверных количественных сведений об их НДС из-за невозможности метрологического обеспечения.

Для решения этой задачи нами используется рентгеновский дифрактометрический метод, который является прямым методом определения механических напряжений по деформациям кристаллической решетки в поверхностном слое материала. Метод основан на явлении дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Измерение механических напряжений дифрактометрическим методом связано с измерением периодов кристаллической решетки. Падающие на кристалл рентгеновские лучи 1 и 2 (рисунок 1) взаимодействуют с электронами, находящимися на внутренних оболочках атомов.


Рис. 1. Дифракция рентгеновских лучей на атомных плоскостях кристалла.

При взаимодействии рентгеновских волн с электронами возникают вторичные когерентные волны. Отраженные от различных параллельных атомных плоскостей рентгеновские лучи усиливают друг друга, когда оптическая разность хода ? между ними удовлетворяет условию , где  – порядок дифракции, равный 1,2,3…;  – длина волны. Оптическая разность хода между лучами 1’ и 2’, отраженными от различных плоскостей равна
 ,                                                              (1)
где  – расстояние между атомными плоскостями,   – угол между падающими лучами и атомной плоскостью (угол скольжения или угол дифракции). Уравнение [1] называется уравнением Вульфа-Брегга.

Металл трубопроводов представляет собой хаотически расположенные кристаллы с различным направлением кристаллографических плоскостей и с различными межатомными расстояниями . Поэтому при любом угле  рентгеновских лучей и поверхностью объекта контроля (рисунок 2)  имеются кристаллы, в которых атомные плоскости обеспечат появление дифракционного максимума под углом дифракции .


Рис. 2. Возникновение дифракционных максимумов под разными углами падения рентгеновских лучей. Изменение межплоскостных расстояний d под воздействием одноосной растягивающей силы F.

Воздействие внешней силы вызывает деформацию кристаллической решетки, т.е. изменение межплоскостных расстояний , что в соответствии с формулой (1) приводит к изменению угла дифракции . Деформацию кристаллической решетки можно выразить следующей формулой , где  – относительная деформация,  – межплоскостное расстояние при отсутствии деформации,  – межплоскостное расстояние при воздействии одноосной внешней растягивающей силы  (рисунок 2). Согласно закону Гука , где  – модуль нормальной упругости, - действующее напряжение. В сферической системе координат для произвольно выбранного направления напряжение выражается следующим образом: , где главные напряжения. На поверхности тела для плосконапряженного состояния, когда угол. При неизменном угле  и изменении только угла  между деформацией  и  существует прямо пропорциональная зависимость:
                   (2)

Согласно формуле [2] для определения напряжений в любом направлении  достаточно знать разность углов  в зависимости от угла наблюдения  (рисунок 3). Величина напряжений, измеряемая в поверхностном слое металла толщиной 5-15 мкм, определяется по тангенсу угла наклона прямолинейной зависимости .

Измерения с помощью дифрактометра сводятся к измерениям положения центра тяжести рентгеновской линии или ее максимума.


Рис. 3. Главные напряжения и напряжения в произвольно выбранном направлении в сферической системе координат.

Измеряя параметры дифракционных пиков, определяют напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя металла газопроводов. Однако, применение дифрактометрического метода возможно только в шурфах, в контакте с металлом. Поэтому нами использовалась следующая технология  внетрубного определения НДС в полевых условиях: 

- определяются вероятные зоны газопровода с повышенным напряжением при надземном внетрубном диагностировании, используя магнитометрический, электрометрический, геодезический (расчетный), георадарный, видеотепловизионный и др. методы;
- на наиболее опасных участках газопровода, обнаруженных при надземном обследовании, производится шурфование и определяется техническое состояние металла трубы, используя весь комплекс методов и средств неразрушающего контроля и диагностики, (визуальные и измерительные методы; ультразвуковые, включая толщинометрию; магнитные и электромагнитные, включая измерение коэрцитивной силы; капиллярные; измерение твердости и др.);
- месторасположение наиболее напряженных сечений трубы в шурфе уточняется расчетным, магнитометрическим и другими методами и там производится измерение величины напряжений методом рентгеновской дифрактометрии.

Необходимо отметить некоторые особенности при проведении измерений рентгеновским дифрактометром: перед проведением измерений напряжений необходимо подготовить поверхность металла шлифованием до шероховатости не более 20мкм, а затем произвести травление 25% или 50% -ым раствором азотной кислоты в течение определенного времени. На рисунке 4 показан образец, протравленный 25% раствором в течение 1 минуты.


Рис. 4. Образец после травления в 25% - ом растворе азотной кислоты, увеличение 200х.

Остаток наклепанного слоя после подготовки поверхности металла шлифованием составляет приблизительно 150 мкм. Для полного стравливания наклепа достаточно 2,5-3 минут травления 25% -ым раствором кислоты. Глубину наклепанного слоя и время стравливания можно также контролировать  рентгеновским методом, послойно стравливая материал и измеряя величину напряжения (табл. 1).

Таблица 1.
Результаты измерений на образце при послойном стравливании
№ измерения
Время травления, с
Остаточное напряжение, МПа
1
0
-317±24
2
30
-276±7
3
60
-218±25
4
90
-188±21
5
120
-165±6
6
150
-97±16
7
180
-109±21

По результатам измерений видно, что наклепанный слой был стравлен в течение 150 секунд 25% -ым раствором кислоты, т.к. последующие результаты одинаковы в пределах погрешности.

При работе в полевых условиях мы использовали портативный рентгеновский дифрактометр типа STRESSRAD. Целесообразно использовать метод рентгеновской дифрактометрии, как основной при количественной оценке НДС трубопроводов в полевых условиях, т.к. он дает достоверные сведения о напряжениях в поверхностном слое металла. Именно здесь в процессе эксплуатации, в основном, и зарождаются трещины, как наиболее опасные дефекты. Метод рентгеновской дифрактометрии может служить, как эталонный для настройки и калибровки других методов. В свою очередь проверка правильности измерений напряжений дифрактометром определяется на отожженных порошках железа. Показания дифрактометра при измерениях на порошках с известными периодами решетки должны находиться в пределах нуля с учетом установленных погрешностей измерений.

Автор(ы): Коннов В.В., Пронин Н.С., Глушаков И.В.
Правообладатель: АО НПЦ «Молния»