Приклад оформлення титульного аркушa

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

 

Кафедра технічної діагностики

та моніторингу

 

 

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни

“ТЕХНІЧНА ДІАГНОСТИКА БУРОВОГО ТА НАФТОГАЗОПРОМИСЛОВОГО ОБЛАДНАННЯ”

на тему

” _______________________________________ ”

 

 

Виконав(ла):

ст.гр. _____________

________________

(ПІБ студента)

Перевірив(ла):

__________________

(посада викладача)

__________________

(ПІБ викладача)

 

 

Івано-Франківськ, 20__

ДОДАТОК Б

Приклад виконання контрольної роботи

Тема:

Визначення фізико-механічних властивостей металоконструкцій неруйнівними методами

Зміст

стор.

Вступ …………………………………………………………….

 

1. Загальні положення..................................................................

 

2. Визначення фізико-механічних властивостей

металокон­струкцій неруйнівними методами……………….

 

2.1. Акустичні методи контролю фізико-механічних характеристик та структури матеріалів……….……………

 

2.2. Магнітні методи для контролю структурно-

механічних властивостей матеріалу……………………….

 

2.3. Вихреструмова структуроскопія………….………………..

 

2.4. Термоелектричний контроль властивостей матеріалів…..

 

3. Засоби для визначення фізико-механічних

характеристик матеріалів……………………………………

 

Висновок...............................................................................

 

Список використаної літератури.........................................

Продовження додатка Б

ВСТУП

Проблема забезпечення надійної та безпечної експлуатації сталевих конструкцій з кожним роком стає все більш актуаль­ною, оскільки їх зношення значно перевищує темпи технічного пере­оснащення. Близько 60-80 % металоконструкцій відпрацю­вали про­ектні терміни експлуатації. Такий стан речей характер­ний для га­лузей промисловості, у яких металоконструкції заз­нають знако­змінних навантажень, теплових впливів та дії агре­сивного сере­довища (нафтогазова промисловість, теплова та ядерна енергетики, хімічна промисловість, промислове будів­ництво).

Сумісний вплив згаданих чинників у реальних умовах експлу­атування призводить до зміни фізико-механічних харак­теристик (ФМХ) металу сталевих конструкцій. Окрім того, широкий діапазон сталевих матеріалів, що використовуються для виготовлення відпо­відальних деталей, різноманітність технологічних маршрутів, що формують фізико-механічні ха­рактеристики, потребує проведення контролю поставленої на підприємство продукції, в тому числі й поопераційного кон­тролю ФМХ, що формуються у ході оброблення. В експлу­атації перебуває значна кількість устаткування, на яке втра­чена експлуатаційна документація, що працює за змінних умов експлуатації. Значну роль у визначенні всього комплексу ФМХ і якості виготовлених виробів відіграють неруйнівні фізичні методи контролю, розвитку яких на даний час приділяється велика увага дослідників. Проте, існуючі неруйнівні методи визначення механіч­них характеристик базуються, в основному, на визначені таких параметрів як твердість і коерцитивна сила. Вони є недостатньо інформативними і характеризуються рядом недоліків і припущень, що стосуються теорії та практичної реалізації.

У зв’язку з цим, проблема дослідження нових методів виз­начення механічних характеристик сталей промислових кон­струкцій є надзвичайно актуальною, вирішення якої дозволить більш досто­вірно визначати залишковий ресурс відповідальних об’єктів.

Продовження додатка Б

 

1 Загальні положення

 

За оцінкою спеціалістів, технічний стан споруд, кон­струкцій, обладнання та інженерних мереж в основних галу­зях економіки досяг критичної межі, що загрожує її сталому функціонуванню, підвищує імовірність виникнення аварій і надзвичайних ситуацій техногенного характеру. З огляду на надзвичайно низькі темпи відновлення першочерговим зав­данням є забезпечення надійної експлуатації існуючого фонду споруд і конструкцій. Це, в першу чергу, відноситься до об’єк­тів теплової і ядерної енергетики, нафтогазопроводів, хімічної промисловості, транспорту, промислового будів­ницт­ва.

Зношення обладнання у базових галузях промисловості наближається до граничного рівня щодо умов надійності його експлуатації. Зниження рівня надійності призводить до відмов і, як наслідок, до збільшення витрат на проведення відновлю­вально-ремонтних робіт, до збитків від недоотриманого при­бутку, високої аварійності з дуже серйозними екологічними наслідками та людськими жертвами.

З огляду на це особливої актуальності набувають пи­тання управління експлуатаційною надійністю та довговіч­ністю відповідних об’єктів шляхом визначення їх технічного стану і залишкового ресурсу та встановлення науково обґрун­тованих строків експлуатації.

Насамперед необхідно проаналізувати істотні чинники, які впливають на довговічність сталевих конструкцій тривалої експлуатації в промисловості (рис.1).

 

Продовження додатка Б

 

 

Рисунок 1 -Чинники, що впливають на довговічність сталевих конструкцій тривалої експлуатації

 

Сукупний вплив різних чинників може призводити до такого явища як деформаційне старіння сталей конструкцій, яке виявляється тільки за умов довготривалої експлуатації (понад 20 років). Старіння металу в першу чергу виявляється в тому, що метал стає більш крихким, знижується запас плас­тичності. До деформаційного старіння більш схильні нафто­газопроводи, більшість з яких побудовані ще до 70-х р.р. 20 ст., і нормативний термін експлуатування яких вже закінчився або підходить до завершення.

Найбільш небезпечними з точки зору експлуатаційної міцності та надійності сталевих конструкцій є поява пластич­них незворотних деформацій. Таке можливо тільки за умов

Продовження додатка Б

 

досягнення у локальному об’ємі металу напружень, що пере­вищують значення границі плинності.

Як показує досвід, більшість сталевих конструкцій віт­чизняної промисловості, що експлуатуються тривалий час у важких умовах, перебувають на стадії старіння. Такий стан може призводити до зростання кількості відмов та аварій.

Визначення механічних характеристик сталей є актуаль­ною задачею не тільки для оцінки фактичного технічного ста­ну металоконструкцій тривалої експлуатації. Так, зокрема, широкий діапазон металевих матеріалів, що використо­вують­ся для виробництва конструкцій відповідального призначення, різноманітність технологічних маршрутів, які формують фізи­ко-механічні властивості, потребують 100 %-го контролю пос­тавленої на підприємство номенклатури з метою її іденти­фікації, а також поопераційного контролю фізико-механічних характеристик, які формуються у ході обробки.

Механічні характеристики конструкційних сталей можна визначати як руйнівними так і неруйнівними методами. Зро­зуміло, що визначення руйнівними методами вимагає втру­чання в цілісність робочої конструкції, що не завжди пред­ставляється можливим і виправданим, як з технологічної, так і з економічної точки зору.

Багато вітчизняних та зарубіжних вчених, таких як Міхеєв М.Н., Горкунов Э.С., Біда Г.В., Костін В.Н., Мельгуй М.А., Дорофеєв А.Л., Яцун М.А., Бондаренко Ю.К., Шарко А.В., Безлюдько Г.Я., Карпаш М.О., Молодецький І.А., Учанін В.М., Kroning M., Z. Guo, W. Sha, M. Balazinski, M.Saka, J. W. Byeon, S.H. Nahm, A. Kim доклали зусиль для розвитку нових методів, підходів та технічних засобів контролю фізико-механічних характеристик металевих виробів.

Існує стандартна класифікація неруйнівних методів кон­тролю, які відрізняються один від одного по характеру взаємо­дії фізичних полів з об’єктом контролю і способам отримання первинної інформації. Дана класифікація введена для методів і засобів дефектоскопії й застосовується в даний час для класифікації методів і засобів визначення фізико-механічних характеристик матеріалів.

Продовження додатка Б

 

2 Визначення фізико-механічних властивостей металоконструкцій неруйнівними методами

 

2.1. Акустичні методи контролю фізико-механічних характеристик та структури матеріалів

Застосування акустичних засобів контролю фізико-меха­нічних характеристик та структури матеріалів (величина зер­на, модуль пружності, твердість, текстура, міцність і т.д.) базується на зв’язку цих характеристик із акустичними харак­теристиками матеріалів (швидкість поширення хвиль, коефі­цієнт затухання пружних хвиль, характеристичний імпеданс і т.д.).

Сучасні акустичні методи дають змогу досліджувати стан матеріалу за швидкістю і часом поширення поздовжніх, поперечних та поверхневих хвиль, за виміряними значеннями частот власних коливань виробів, проводити структурні дос­лідження за даними вимірювання коефіцієнта затухання, з використанням методів акустичної спектроскопії, оцінювати механічні властивості за результатами фізичних процесів в інденторі, прогнозувати зміну напруженого стану об’єктів ме­тодами акустичної емісії.

На рис. 2 показана узагальнена схема, яка демонструє пе­ре­лік інформативних параметрів акустичного контролю міц­нісних характеристик матеріалів та перелік тих властивостей, які можуть визначатись з використанням акустичних методів.

Продовження додатка Б

 

Рисунок 2 – Акустичні методи контролю фізико-механічних характеристик та структури матеріалів

Продовження додатка Б

 

2.2 Магнітні методи для контролю структурно-механічних властивостей матеріалу

Крива намагнічування, форма та площа петлі гістере­зису, а також основні параметри, що їх характеризують, зале­жать від структурного стану і фазового складу феромаг­не­тику. Тобто, втрати енергії на перемагнічування, коерцитивна сила, магнітна проникність та ряд інших магнітних параме­трів кривої намагнічування і петлі магнітного гістерезису можуть бути віднесені до структурно чутливих характеристик металів.

Магнітні методи застосовують для контролю структур­но-механічних властивостей матеріалу виробу в тих випадках, коли існує однозначний зв’язок між вимірюваною характерис­тикою та контрольованим параметром. Для багатьох марок конструкційних сталей залежність структурно-чутливих маг­нітних характеристик від контрольованого параметра (темпе­ратура відпуску, твердість і т.д.) носить неоднозначний харак­тер.

На рис. 3 зображена узагальнена схема, яка демонструє перелік інформативних параметрів магнітного контролю структури та характеристик матеріалів і розгалужений перелік тих властивостей, які можуть визначатись з використанням магнітних методів.

 

Продовження додатка Б

Рисунок 3 – Магнітний контроль структури та фізико-механічних характеристик матеріалів

Продовження додатка Б

2.3 Вихреструмова структуроскопія

Визначення структурно-чутливих електричних і магніт­них характеристик матеріалів або виробів за допомогою змін­ного магнітного поля складає основу вихреструмового кон­тролю структури і властивостей матеріалів. Можливість тако­го контролю пов’язана із особливостями поведінки металів в змінних полях, перш за все із зміною його фази при проник­ненні в провідний матеріал і з неоднозначною залежністю маг­нітної проникності від напруженості поля.

Для феромагнітних матеріалів і виробів величина вихро­вих струмів залежить від трьох параметрів: електропро­від­ності, розмірів виробу та магнітної проникності. Разом з тим, магнітна проникність є також функцією напруженості поля намагнічування. Амплітудно-фазовий метод базується на ви­мірюванні амплітуди і фази вторинної ЕРС. При контролі феромагнітних матеріалів існують підвищені вимоги до пос­тійності розмірів виробу і рекомендується робота на низьких частотах поля, коли впливом вихрових струмів можна знехту­вати і рахувати, що магнітний потік розподілений по січенню виробу рівномірно. При цьому ефективна глибина проникнен­ня вихрових струмів є великою і послаблення поля буде нез­начним. У вторинній ЕРС, яка виникає при намагнічуванні феромагнітного матеріалу синусоїдальним полем, з’являються вищі гармонійні складові. Їх використання дозволяє отримати додаткову інформацію. На рис. 4 зображено сімейство годо­графів першої гармоніки вторинної ЕРС при контролі феро­магнітного матеріалу с використанням слабкого змінного поля високої частоти для магнітної проникності 50, 100, 150 та 200. Лінії руху світної точки на екрані осцилографа при зміні маг­нітної проникності показані пунктиром. По рисунку такого виду можна визначити питому електричну провідність.

 

 

Продовження додатка Б

 

Рисунок 4 – Сімейство годографів першої гармоніки вторинної ЕРС для різних значень магнітної проникності

 

 

2.4 Термоелектричний контроль властивостей матеріалів

 

Термоелектричний контроль знайшов широке застосу­вання завдяки простоті конструкції і експлуатації термоелек­тричних приладів. На значення термоЕРС матеріалу при виз­наченні належності його до певної марки значно впливають такі фактори, як тиск та температурна стабільність гарячого електрода або різниця температур цього електрода та кон­трольованого об’єкта, стан їх поверхонь, хімічний склад і т.д. Вплив на загальну термоЕРС у місці контакту чинить як термоЕРС утвореної плівки, так і її опір протіканню струму.

На стабільність вимірювань термоЕРС в реальних вироб­ничих умовах впливає тонкий молекулярний шар органічного

 

Продовження додатка Б

 

мастила на контрольованій поверхні із високим питомим опором, що може знизити значення термоЕРС на 30-70 %.

Ще одним важливим фактором, який впливає на ефек­тивність термоелектричного сортування по марках, є струк­турний стан об’єктів контролю. Найбільш стабільні резуль­тати отримуються при сортуванні виробів, які пройшли від­пал, що забезпечує відсутність внутрішніх напружень, або нормалізацію.

Існує доволі стійка кореляція між структурним станом (фазовий склад, величина зерна, твердість), напруженнями в металі та термоЕРС. Термоелектричним методом можуть ви­являтись зони підвищеного вмісту вуглецю, міді, кремнієвих ліквацій в залежності від складу сплаву і умов кристалізації.

Значення термоЕРС і твердості прямо залежать від вміс­ту вуглецю в твердому розчині. При вмісті вуглецю в цемен­тованому шарі нижче евтектоїдного спостерігається одно­значна залежність від нього значень термоЕРС, а при рівному чи більшому вмісті – така залежність відсутня.

Продовження додатка Б

 

3 Засоби для визначення фізико-механічних характеристик матеріалів

В даний час на ринку пропонуються різнотипні технічні засоби для визначення фізико-механічних характеристик ма­теріалів металоконструкцій.

Існують спеціалізовані прилади для контролю структури металів – структуроміри (структуроскопи). В них передбача­ють додаткові вузли, які забезпечують можливість реалізації різних методик контролю.

Акустичні структуроміри дозволяють:

- вимірювати швидкість поширення і коефіцієнт зату­хання пружних коливань із представленням результатів в циф­ровій формі;

- автоматично сортувати об’єкти контролю за програ­мованими параметрами розподілу амплітуд сигналів;

- виводити результати вимірювань для їх обробки та до­кументування.

Найчастіше для збудження, приймання та реєстрації ультразвукових коливань в досліджуваному матеріалі вико­ристовуються прилади, побудовані за принципом імпульсного дефектоскопа. Однак, вузький діапазон ультразвукових частот в більшості дефектоскопів, відсутність або низька точність пристрою для вимірювання затухання і швидкості поширення ультразвукових коливань та ряд інших недоліків призвели до розробки приладів, призначених спеціально для структурного аналізу металів.

Першим таким приладом, який серійно випускався Ки­шинівським заводом «Електроточприлад», став ДСК-1. Робочі частоти приладу становили 0.65, 1.25, 2.5, 5 та 10 МГц.

Методи, які базуються на вивченні взаємодії індентора із контрольованим виробом, покладені в основу сучасних акус­тичних вимірювачів твердості. На вимірюванні акустичного імпедансу базується дія ультразвукових твердомірів DHV-10, які випускаються фірмою «Крауткремер» (Німеччина). Як випромінювач коливань використовується магнітостриктор із

Продовження додатка Б

 

власною частотою 78 кГц, який має алмазний наконечник у вигляді піраміди Вікерса. Прилад має цифрову індикацію, похибка вимірювання становить ± 15 HV для твердих матеріа­лів і ± 5 HV для м’яких.

Більшість магнітних структуроскопів складають коерци­тиметри. До недавнього часу найбільш поширеними були коерцитиметри типу КИФМ-1. Сучасною модифікацією коер­цитиметра із приставним електромагнітом є структуроскоп МФ-31КЦ. В даному приладі реалізоване автоматичне регу­лювання струму розмагнічування до значення, яке відповідає розмагніченому стану об’єкта контролю.

Коерцитиметри призначені для контролю окремих діля­нок великогабаритних деталей. Основні негативні фактори – це зміна зазору між полюсами електромагніту і поверхнею об’єкта контролю та зміна товщини об’єкта.

Відомі також коерцитиметри вітчизняного виробництва (НВФ «Спеціальні наукові розробки», м. Харків). Коерцити­метр КРМ-Ц є цифровим та напівавтоматичним приладом, який дає змогу сортувати марки сталей та чавунів, контролю­вати твердість, товщину загартованого шару, визначати меха­нічні характеристики (границю міцності, границю текучості), а також напружено-деформований стан і залишковий ресурс металоконструкцій.

Спеціалісти Фізико-механічного інституту НАН України разом із працівниками Дослідницького центру Міносвіти України розробили коерцитиметр ВКС-108, який відрізня­ється високою швидкістю вимірювань та вищою достовір­ністю результатів вимірювань. В приладі реалізований дина­мічний спосіб вимірювання коерцитивної сили.

Із закордонних приладів відомий коерцитиметр «Koer­zimat 1.095», розроблений в Інституті доктора Ферстера (Німеччина), який укомплектований соленоїдом та пристав­ним електромагнітом і має діапазон вимірювань від 0 до 100 кА/м.

Контроль ФМХ феромагнітних матеріалів, який базуєть­ся на вимірюванні магнітної проникності, не знайшов ши­

Продовження додатка Б

 

рокого застосування в промисловості, хоча він зручніший у тих випадках, коли магнітна проникність залежить, наприк­лад, від режиму загартування (на відміну від коерцитивної сили або залишкової магнітної індукції). Як інформативні параметри в таких приладах використовуються інтенсивності магнітних шумів (амплітуди складових спектру), а також ши­рина спектру.

Першою установкою промислового застосування була ИБШ-2, яка була розроблена М. Міховскі в Болгарії. Уста­новка була призначена для контролю структури і ступеня пластичної деформації тонких прутків. Розбракування здійс­нювалось за рівнем магнітного шуму.

Вітчизняний прилад МАША-1 призначений для кон­тролю вмісту вуглецю в сталях і ступеня поверхневого зміц­нення.

Щодо реалізації методів феритометрії можна згадати про ряд інших приладів. Феритометр ФМ-2 призначений для визначення вмісту феритної фази в хромонікелевих сталях аустенітного класу. Принцип дії його базується на вимірю­ванні відносної магнітної проникності аустенітної сталі у постійному магнітному полі. Об’єкт контролю намагнічується постійним магнітом, а вимірювальним перетворювачем слу­жить ферозондовий полемір.

Метод вищих гармонік знайшов застосування в приладі КАП-1, який був розроблений в Інституті прикладної фізики АН Білорусії і призначений для контролю якості термо­обробки феромагнітних об’єктів із матеріалів з лінійною за­лежністю динамічної коерцитивної сили від конкретної ме­ханічної характеристики. Лінійність повинна перевірятись для кожної марки сталі експериментально. Принцип дії базується на вимірюванні фази та амплітуди другої гармоніки сигналу прохідного перетворювача. Максимальний діаметр контрольо­ваних об’єктів становить 90 мм.

Більш досконалими є прилади, в яких використовується сукупність кількох гармонік сигналу. До них відносяться при­лади типу «Magnatest» фірми «F.Forster» (Німеччина), в яких

Продовження додатка Б

 

контроль здійснюється як за основною, так і за вищими гар­моніками. Прилади призначені для неруйнівного контролю заготовок і деталей масового виробництва (прутки, дріт, труби, гвинти і т.д.) з феромагнітних, нефермомагнітних та аустенітних сталей. Так само, як і в інших приладах, мож­ливий контроль твердості, якості термообробки, хімічного складу, але тільки при відомому зв’язку цих параметрів із магнітними.

Відомий цілий спектр приладів, призначених для вимі­рювання питомої електричної провідності, таких як: ВЭ-26Н (НПО «Спектр», Москва), ВЭ-17НЦ/3, ВЭ-17НЦ/4, ВЭ-17НЦ/5 (Уральський електромеханічний завод, м. Єкатерин­бург), FM-140F (Magnaflux, США), Sigmatest 2.067 i Sigmas-cope SMP1 (H. Fischer, ФРН). Ці прилади дозволяють вимі­рювати питому електричну провідність в діапазоні 0.1-60 МСм/м з похибкою до 2 %.

Одним із закордонних приладів є «Eddyvisor» фірми «ibg» (ФРН), який за допомогою восьми програм, що ви­би­раються оператором в діалоговому режимі, може контролю­вати твердість, глибину зміцненого шару, вміст вуглецю, ме­ханічні напруження та інші характеристики широкого спектру сплавів.

Існують також спеціалізовані вихрострумові прилади. Прикладом може послужити прилад для контролю фізико-механічних характеристик труб нафтового сортаменту типу СІГМА-Т10.1, який був розроблений та випускається НВФ «ЗОНД» (м. Івано-Франківськ). Принцип дії приладу полягає у вимірюванні декремента затухання власних коливань пере­творювача, що залежить від фізико-механічних характеристик контрольованих об’єктів. Прилад комплектується накладним перетворювачем із змінними протекторами для труб діа­ме­трами 60-140 мм.

Для виявлення зон підвищеного вмісту вуглецю, міді, кремнієвих ліквацій в залежності від складу сплаву та умов кристалізації використовують прилади типу ТЭП-10К (СРСР) та ТЕВОТЕСТ 3.205 (ФРН).

Продовження додатка Б

 

Висновок

 

Для металоконструкції трубопроводів причини відмов та руйнувань зводяться до невідповідностей вибраного мате­ріалу (а отже і його фізико-механічних характеристик) вимо­гам конструкції, призначення, умов експлуатації і т.д. Тому, на стадії проектування першочергове значення має пра­виль­ний вибір матеріалу за його фізико-механічними характерис­тиками, а на стадії експлуатації найбільш важливим є визна­чення фактичних значень цих характеристик.

Але очевидним є той факт, що всі помилки зводяться до невідповідностей вибраного матеріалу (а отже і його фізико-механічних характеристик) вимогам конструкції, призначен­ня, умов експлуатації і т.д. Тому, на стадії проектування першочергове значення має правильний вибір матеріалу за його фізико-механічними характеристиками, а на стадії екс­плуатації найбільш важливим є визначення фактичних зна­чень цих характеристик.

 

 

Продовження додатка Б

Перелік використаної літератури

1. Богданов Е. А. Основы технической диагностики нефтегазового оборудования: Учеб. Пособие для вузов / Е. А. Богданов. – М.: Высш. шк., 2006. – 279 с.: ил.

2.Механіка руйнування та міцність матеріалів. Довід. Посібник. Том 5. Неруйнівний контроль і технічна діагнос­тика.// Під ред. Назарчука З.Т. Лвів, ФМІ, 2001.

3. Белокур И. П., Коваленко В. А. Дефектоскопия мате­риалов и изделий. – К.: Техніка, 1989. – 192 с.

4. Karpash M. New challenges for mechanical properties evaluation of long-term used metallic structures / M. Karpash, O. Karpash, E. Dotsenko // 4th International Symposium on Hydro­ carbons and Chemistry, Ghardaia, Algeria, March 24-26, 2008: proceedings. – Ghardaia, 2008. - C.64.

5. Доценко Є. Р. Контроль механічних характеристик конструкційних сталей за їх питомим електричним опором: автореферат дисертації на здобуття вченої ступені кандидата технічних наук. – Івано-Франківськ, ІФНТУНГ, 2011. – 20 с.