Способ измерения осевых механических напряжений в трубопроводах

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик конструкционных материалов и может быть использовано для определения механических напряжений различных трубопроводов. Способ заключается в том, что в исследуемой зоне трубопровода возбуждают ультразвуковые импульсы упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, определяют время задержки этих импульсов, в той же зоне возбуждают ультразвуковые импульсы продольной волны и определяют ее время задержки, определяют отношения задержек импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, к задержке импульса продольной волны в материале трубопровода, затем определяют кольцевое напряжение, причем в трубопроводе, где находится исследуемая зона, меняют давление, определяют кольцевое напряжение, затем в исследуемой зоне трубопровода возбуждают ультразвуковые импульсы упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, определяют время задержки этих импульсов, в той же зоне возбуждают ультразвуковые импульсы продольной волны и определяют ее время задержки, определяют отношения задержек импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы к задержке импульса продольной волны в материале трубопровода, после чего получают математически определенную систему с тремя неизвестными из трех уравнений, эту систему уравнений решают аналитически или численно и определяют осевое механическое напряжение в трубопроводе. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности измерений осевых механических напряжений в трубопроводах. 3 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля физических характеристик конструкционных материалов и может быть использовано для определения осевых механических напряжений в различных трубопроводах.

Известен ультразвуковой способ измерения механических напряжений (Российская Федерация, патент 2018815, G 01 N 29/00), заключающийся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог или в свободную зону исследуемого объекта, не испытывающую напряжений, вводят импульсы ультразвуковых колебаний (УЗК), принимают прошедшие импульсы, алгебраически суммируют и вычитают их, а по сумме и разности определяют относительную разность скоростей УЗК в напряженном и свободном состояниях, по которой рассчитывают величину механических напряжений.

Недостатком данного способа является то, что ненагруженный аналог или свободная зона исследуемого объекта могут иметь механические, а следовательно, и акустические свойства, значительно отличающиеся от свойств нагруженной исследуемой зоны, что не позволяет получить удовлетворительную достоверность результатов измерений механических напряжений.

Известен ультразвуковой способ измерения механических напряжений (Российская Федерация, патент 2057329, G 01 N 29/00), заключающийся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог или в свободную зону исследуемого объекта, не испытывающую напряжений, вводят импульсы продольных УЗК, принимают прошедшие импульсы, алгебраически суммируют и вычитают их, а по сумме и разности определяют величину механических напряжений, на тех же участках вводят импульсы УЗК другого типа, например поперечных, принимают прошедшие импульсы, алгебраически суммируют и вычитают их, а величину механических напряжений рассчитывают по специальной формуле. Данное техническое решение как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату принято за прототип.

Недостатком прототипа является неудовлетворительная достоверность результатов измерений, т.к. ненагруженный аналог или свободная зона исследуемого объекта могут иметь механические, а следовательно, и акустические свойства, значительно отличающиеся от свойств нагруженной исследуемой зоны.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности измерений осевых механических напряжений в трубопроводах. Технический результат - определение отношений задержек импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, к задержке импульса продольной волны в материале трубопровода без напряжений.

Указанный технический результат достигается тем, что в исследуемой зоне трубопровода возбуждают ультразвуковые импульсы упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, определяют время задержки этих импульсов, в той же зоне возбуждают ультразвуковые импульсы продольной волны и определяют ее время задержки, определяют отношения задержек импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, к задержке импульса продольной волны в материале трубопровода по формулам d₁₁=t₁₁/t₃₁, где t₁₁ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль оси трубы, измеренная при первом значении давления; t₃₁ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при первом значении давления; d₂₁=t₂₁/t₃₁, где t₂₁ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных перпендикулярно оси трубы, измеренная при первом значении давления; t₃₁ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при первом значении давления; затем определяют кольцевое напряжение по формуле σ₂₁=(P₁•D)/(2•h), где P₁ - давление в зоне измерений;
D - внутренний диаметр трубопровода;
h - толщина стенки трубопровода;
при этом в трубопроводе, где находится исследуемая зона, меняют давление и определяют кольцевое напряжение по формуле
σ₂₂=(Р₂•D)/(2•h),
где Р₂ - давление в зоне измерений;
D - внутренний диаметр трубопровода;
h - толщина стенки трубопровода;
затем в исследуемой зоне трубопровода возбуждают ультразвуковые импульсы упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, определяют время задержки этих импульсов, в той же зоне возбуждают ультразвуковые импульсы продольной волны и определяют ее время задержки, определяют отношения задержек импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, к задержке импульса продольной волны в материале трубопровода по формулам
d₁₂=t₁₂/t₃₂,
где t₁₂ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль оси трубы, измеренная при втором значении давления;
t₃₂ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при втором значении давления;
d₂₂=t₂₂/t₃₂,
где t₂₂ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных перпендикулярно оси трубы, измеренная при втором значении давления;
t₃₂ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при втором значении давления;
после чего получают математически определенную систему с тремя неизвестными из трех уравнений:
σ₁₁=k₁•(d₁₀/d₁₁-1)-k₂•(d₂₀/d₂₁-1);
σ₂₁=k₁•(d₂₀/d₂₁-1)-k₂•(d₁₀/d₁₁-1);
σ₂₂=k₁•(d₂₀/d₂₂-1)-k₂•(d₁₀/d₁₂-1),
где σ₁₁ - осевое механическое напряжение в трубопроводе при первом значении давления;
σ₂₁ - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе при первом значении давления;
σ₂₂ - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе при втором значении давления;
k₁ и k₂ - коэффициенты упругой акустической связи;
d₁₀ - отношение задержки импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль оси трубы, к задержке импульсов упругих продольных волн в материале трубопровода без напряжений;
d₂₀ - отношение задержки импульсов упругих поперечных волн, поляризованных перпендикулярно оси трубы, к задержке импульсов упругих продольных волн в материале трубопровода без напряжений;
эту систему уравнений решают аналитически или численно и определяют осевое механическое напряжение σ₁₁ в трубопроводе.

Изменение давления в трубопроводе, возбуждение в исследуемой зоне трубопровода ультразвуковых импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, определение времени задержки этих импульсов, возбуждение в той же зоне ультразвуковых импульсов продольной волны и определение ее времени задержки, определение отношений задержек импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, к задержке импульса продольной волны в материале трубопровода и определение кольцевого напряжения в трубопроводе при другом значении давления позволяют довести число уравнений до числа неизвестных и определить осевое механическое напряжение σ₁₁ в трубопроводе.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где на Фиг.1 изображен участок трубопровода, на Фиг.2 - датчик упругих поперечных волн, на Фиг.3 - датчик упругих продольных волн.

На участке трубопровода 1 выполняют герметичные заглушки 2 и 3, через штуцер 4 в трубопровод 1 закачивают воду, давление которой измеряют манометром 5, при помощи шлифовальной машинки обрабатывают поверхность исследуемой зоны 6 до чистоты не ниже Ra 12,5. Методами традиционной дефектоскопии, например, дефектоскопом УД2-12 (руководство по эксплуатации ШЮ 2.068.136 РЭ) проводят исследования на отсутствие дефектов, дающих отраженные импульсы. В случае наличия таких дефектов зону измерения смещают на 30-40 мм вдоль продольной оси трубопровода и повторяют дефектоскопию. В исследуемой бездефектной зоне 6 устанавливают датчик поперечных волн, представляющий собой поперечно-поляризованную пластинку 7 из пьезокерамики типа ЦTC-19, на верхней грани которой выполнен контактный слой 8 из серебра или никеля, от которого отходит высокочастотный кабель 9, сверху на контактном слое 8 выполнен демпфер 10 из эпоксидной сколы с наполнителем из вольфрамовых шариков или свинцовой стружки, датчик заключен в металлический корпус 11 с заполнителем 12 из резины или полиуретана. На зашлифованной поверхности исследуемой зоны 6 в зоне контакта с датчиком наносят слой жидкости, в качестве которой применяют эпоксидную смолу типа ЭД 40 без отвердителя. В этом месте к трубопроводу прижимают датчик поперечных волн и одновременно ориентируют его плоскостью полязизации вдоль оси трубы. Проводят измерения задержки между первым и вторым отраженными импульсами, меняют ориентацию датчика на 90^o и также измеряют задержки между первым и вторым отраженными импульсами. Измерения повторяют 3-5 раз, результаты усредняют.

В исследуемой зоне 6 на место датчика поперечных волн устанавливают датчик продольных волн, представляющий собой продольно-поляризованную пластинку 13 из пьезокерамики типа ЦTC-19, на верхней грани которой выполнен контактный слой 8 из серебра или никеля, от которого отходит высокочастотный кабель 9, сверху на контактном слое 8 выполнен демпфер 10 из эпоксидной смолы с наполнителем из вольфрамовых шариков или свинцовой стружки, датчик заключен в металлический корпус 11 с заполнителем 12 из резины или полиуретана. Проводят измерения задержки между первым и вторым отраженными импульсами. Измерения повторяют 3-5 раз, результаты усредняют.

Определяют отношения задержек импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, к задержке импульса продольной волны в материале трубопровода по формулам
d₁₁=t₁₁/t₃₁,
где t₁₁ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль оси трубы, измеренная при первом значении давления;
t₃₁ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при первом значении давления;
d₂₁=t₂₁/t₃₁,
где t₂₁ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных перпендикулярно оси трубы, измеренная при первом значении давления;
t₃₁ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при первом значении давления;
затем определяют кольцевое напряжение по формуле
σ₂₁=(P₁•D)/(2•h),
где P₁ - давление в зоне измерений;
D - внутренний диаметр трубопровода;
h - толщина стенки трубопровода.

На участке трубопровода 1 изменяют давление закачиваемой в него воды. Определяют кольцевое напряжение по формуле
σ₂₂=(Р₂•D)/(2•h),
где Р₂ - давление в зоне измерений;
D - внутренний диаметр трубопровода;
h - толщина стенки трубопровода.

При помощи датчика упругих поперечных волн в исследуемой зоне 6 проводят измерения задержки между первым и вторым отраженными импульсами, меняют ориентацию датчика на 90^o и также измеряют задержки между первым и вторым отраженными импульсами. Измерения повторяют 3-5 раз, результаты усредняют.

При помощи датчика упругих продольных волн в исследуемой зоне 6 проводят измерения задержки между первым и вторым отраженными импульсами. Измерения повторяют 3-5 раз, результаты усредняют.

Определяют отношения задержек импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, к задержке импульса продольной волны в материале трубопровода по формулам
d₁₂=t₁₂/t₃₂,
где t₁₂ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль оси трубы, измеренная при втором значении давления;
t₃₂ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при втором значении давления;
d₂₂=t₂₂/t₃₂,
где t₂₂ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных перпендикулярно оси трубы, измеренная при втором значении давления;
t₃₂ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при втором значении давления;
после чего получают математически определенную систему с тремя неизвестными из трех уравнений:
σ₁₁=k₁•(d₁₀/d₁₁-1)-k₂•(d₂₀/d₂₁-1);
σ₂₁=k₁•(d₂₀/d₂₁-1)-k₂•(d₁₀/d₁₁-1);
σ₂₂=k₁•(d₂₀/d₂₂-1)-k₂•(d₁₀/d₁₂-1),
где σ₁₁ - осевое механическое напряжение в трубопроводе при первом значении давления;
σ₂₁ - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе при первом значении давления;
σ₂₂ - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе при втором значении давления;
k₁ и k₂ - коэффициенты упругой акустической связи;
d₁₀ - отношение задержки импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль оси трубы, к задержке импульсов упругих продольных волн в материале трубопровода без напряжений;
d₂₀ - отношение задержки импульсов упругих поперечных волн, поляризованных перпендикулярно оси трубы, к задержке импульсов упругих продольных волн в материале трубопровода без напряжений;
эту систему уравнений решают аналитически или численно и определяют осевое механическое напряжение σ₁₁ в трубопроводе.

Формула изобретения

Способ измерения механических напряжений в трубопроводах, заключающийся в том, что в исследуемой зоне трубопровода возбуждают ультразвуковые импульсы упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, определяют время задержки этих импульсов, в той же зоне возбуждают ультразвуковые импульсы продольной волны и определяют ее время задержки, определяют отношения задержек импульсов упругих поперечных волн поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы к задержке импульса продольной волны в материале трубопровода по формулам:
d₁₁= t₁₁/t₂₁,
где t₁₁ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль оси трубы, измеренная при первом значении давления;
t₃₁ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при первом значении давления;
d₂₁= t₂₁/t₃₁,
где t₂₁ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных перпендикулярно оси трубы, измеренная при первом значении давления;
t₃₁ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при первом значении давления,
затем определяют кольцевое напряжение по формуле
σ₂₁= (P₁•D)/(2•h),
где Р₁ - давление в зоне измерений;
D - внутренний диаметр трубопровода;
h - толщина стенки трубопровода,
отличающийся тем, что в трубопроводе, где находится исследуемая зона, меняют давление и определяют кольцевое напряжение по формуле
σ₂₂(Р₂•D)/(2•h),
где Р₂ - давление в зоне измерений;
D - внутренний диаметр трубопровода;
h - толщина стенки трубопровода,
затем в исследуемой зоне трубопровода возбуждают ультразвуковые импульсы упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, определяют время задержки этих импульсов, в той же зоне возбуждают ультразвуковые импульсы продольной волны и определяют ее время задержки, определяют отношения задержек импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно оси трубы, к задержке импульса продольной волны в материале трубопровода по формулам
d₁₂= t₁₂/t₃₂,
где t₁₂ - задержка импульсов упругих поперечных волн поляризованных вдоль оси трубы, измеренная при втором значении давления;
t₃₂ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при втором значении давления;
d₂₂= t₂₂/t₃₂,
где t₂₂ - задержка импульсов упругих поперечных волн, поляризованных перпендикулярно оси трубы, измеренная при втором значении давления;
t₃₂ - задержка импульсов упругих продольных волн, измеренная при втором значении давления,
после чего получают математически определенную систему с тремя неизвестными из трех уравнений
σ₁₁= kl•(d₁₀/d₁₁-1)-k₂•(d₂₀/d₂₁-1);
σ₂₁= k₁•(d₂₀/d₂₁-1)-k₂•(d₁₀/d₁₁-1);
σ₂₂= k₁•(d₂₀/d₂₂-1)-k₂•(d₁₀/d₁₂-1),
где σ₁₁ - осевое механическое напряжение в трубопроводе при первом значении давления;
σ₂₁ - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе при первом значении давления;
σ₂₂ - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе при втором значении давления;
k₁ и k₂ - коэффициенты упругой акустической связи;
d₁₀ - отношение задержки импульсов упругих поперечных волн, поляризованных вдоль оси трубы, к задержке импульсов упругих продольных волн в материале трубопровода без напряжений;
d₂₀ - отношение задержки импульсов упругих поперечных волн, поляризованных перпендикулярно оси трубы, к задержке импульсов упругих продольных волн в материале трубопровода без напряжений,
эту систему уравнений решают аналитически или численно и определяют осевое механическое напряжение σ₁₁ в трубопроводе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3