Отдел по работе с клиентами:

+7 (495) 789-76-55

Адреса в других городах: 
Томск 
Самара
Нижний Новгород

Обеспечение безопасной эксплуатации подземных газопроводов предусматривает оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) труб при их диагностическом обследовании и мониторинге.

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

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 .

Отзыв

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.

Отзыв

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.

Отзыв

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
№ измеренияВремя травления, сОстаточное 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»