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.