Оценка остаточного ресурса оборудования и предельного состояния конструкционных материалов при усталостном нагружении по результатам электромагнитных измерений
На правах рукописи
БИКБУЛАТОВ ТИМУР РИНАТОВИЧ
ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ОБОРУДОВАНИЯ И
ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ УСТАЛОСТНОМ НАГРУЖЕНИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность»
(нефтегазовая отрасль)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа 2011
Работа выполнена на кафедре машины и «Технологические оборудование» Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кузеев Искандер Рустемович.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Баширов Мусса Гумерович;
доктор технических наук Загидулин Ринат Васикович.
Ведущая организация: ЗАО «Центр диагностики трубопроводов «Интроско» корпорации «Обнинск».
Защита состоится 23 декабря 2011 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Автореферат разослан « 22 » ноября 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Р.Г. Ризванов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
* АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ Оборудование опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли работает в условиях механических нагрузок, высоких температур и коррозионно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. Данные факторы воздействуют на материал оборудования одновременно, что приводит к затруднению прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации. В связи с этим увеличивается вероятность возникновения аварийной ситуации, а характер отказов и повреждений, механизмов разрушения и, как следствие, развитие чрезвычайной ситуации могут иметь различный сценарий.
Одним из методов повышения безопасности эксплуатации оборудования является оценка ресурса, которая позволяет предотвратить аварийные ситуации. Нормативно-техническая документация трактует прогнозирование ресурса безопасной эксплуатации оборудования, основываясь в основном на вероятностных подходах без учета фактических данных о режимах работы и действующих напряжениях, деформациях, температурах, не учитывая структурные и поверхностные изменения, происходящие в металле. Поэтому работа, направленная на разработку методов оценки остаточного ресурса оборудования с учетом изменения свойств материала и вида нагружения, представляется актуальной. Это отражено и в паспорте специальности 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность», одним из приоритетных направлений которой является разработка методов оценки и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации технических устройств сложных технических систем опасных производственных объектов.
В настоящее время одним из способов получения достоверной информации о техническом состоянии объекта является использование * – Консультантами по отдельным разделам диссертации были к.т.н. Наумкин Е.А. и к.т.н. Кузеев М.И.
методов неразрушающего контроля, основной целью которых является выявление дефектов в материале оборудования и зон концентрации напряжений, наиболее предрасположенных к разрушению. Однако использование данного подхода, как правило, позволяет выявлять только развитые дефекты. При этом не рассматривается возможность количественной оценки накопленных повреждений и приближения к предельному состоянию. Поэтому при исследовании закономерностей накопления повреждений в материале оборудования необходимо использовать структурочувствительный метод.
Одним из возможных путей решения данной проблемы является использование подхода с применением электромагнитного метода контроля, основанного на анализе переходного процесса отклика системы «электромагнитный преобразователь – металл» и позволяющего оценивать накопленные повреждения и приближение к предельному состоянию.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ Разработка метода оценки остаточного ресурса оборудования нефтегазоперерабатывающей промышленности, эксплуатируемого в условиях малоцикловой усталости, на основе установления связи между параметрами электромагнитного сигнала и степенью накопления усталостных повреждений в материале с учетом его предельного состояния.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Разработка накладного преобразователя трансформаторного типа 1.
с неконцентрическим расположением обмоток и оптимизация его параметров для оценки отклика электромагнитного сигнала.
Определение фактического уровня поврежденности металла 2.
оборудования по изменению его электромагнитных характеристик на примере стали 09Г2С.
Оценка предельного состояния металла оборудования, 3.
эксплуатируемого в условиях усталостного нагружения, по параметрам отклика электромагнитного сигнала.
Разработка метода определения ресурса безопасной 4.
эксплуатации оборудования, работающего в условиях циклического режима нагружения, с учетом результатов электромагнитных измерений.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА Установлена зависимость изменения электромагнитных свойств 1.
стали 09Г2С от степени накопления усталостных повреждений в упруго пластической области деформирования, которая показывает, что среднее и действующее значения напряжения отклика электромагнитного сигнала имеют общую тенденцию снижения, а при достижении Ni/Np=0,8 (Ni/Np – отношение количества циклов нагружения на момент измерения к количеству циклов до разрушения) наблюдается экстремум, соответствующий предельному состоянию материала.
Выявлена связь между степенью затухания переходного процесса 2.
отклика электромагнитного сигнала и уровнем накопления усталостных повреждений в области упругопластической деформации стали 09Г2С.
Установлено, что относительное значение степени затухания переходного процесса отклика электромагнитного сигнала с повышением числа циклов нагружения в малоцикловой области увеличивается по линейному закону = 0,0827·Ni/Np. Полученная закономерность позволяет оценивать фактическую степень поврежденности металла оборудования.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ Предложенный метод оценки остаточного ресурса оборудования 1.
и предельного состояния материала с применением электромагнитного метода контроля используется в учебном процессе при изучении дисциплины «Разрушение конструкционных материалов в условиях переработки нефти и газа» при подготовке магистрантов по направлению 150400 Технологические машины и оборудование.
Разработан и утвержден стандарт предприятия ФГБОУ ВПО 2.
Уфимский государственный нефтяной технический университет СТО УГНТУ 003-2011 долговечности оборудования, «Оценка эксплуатируемого в условиях малоцикловой усталости, с учетом результатов электромагнитных измерений».
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, УГНТУ, БАЭ, 2008 г.), 60-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2009 г.), I Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, УГНТУ, 2009 г.), 61-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ г.), научно-практической конференции (Уфа, 2010 IV «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, УГНТУ, БАЭ, 2010 г.) ПУБЛИКАЦИИ По материалам диссертации опубликовано десять работ, в том числе три статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 137 наименований, содержит страниц машинописного текста, включая 21 рисунок, 6 таблиц и приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение раскрывает актуальность выбранной темы диссертационной работы, в нем сформулированы цель и основные задачи исследований, а также отражены научная новизна полученных результатов и их практическая ценность.
В проанализированы работы, посвященные первой главе аварийности на объектах нефтегазовой отрасли и рассмотрены теоретические основы и существующие методы оценки предельного состояния и ресурса безопасной эксплуатации оборудования.
Показано, что одной из причин отказов оборудования является их разрушение вследствие малоцикловой усталости металла, особенно в местах, где возникают изгибные напряжения. Подобные разрушения характеризуются медленным, вялотекущим, скрытым подрастанием усталостных трещин и объединением их в магистральную макротрещину, раскрытие которой может произойти внезапно и привести к аварийной ситуации.
Произведен анализ механизмов разрушения, который показал, что зарождение очага разрушения может происходить как на поверхности, так и в объеме. Рассмотрены механизмы разрушения и роль в этом поверхностных слоев металла, которые освещены в работах Алехина В.П., Терентьева В.Ф., Шанявского А.А. и др., поэтому поверхность можно рассматривать как обособленную структуру, а по ее изменению определять состояние. Наряду с поверхностными изменениями при накоплении повреждений в материале происходят и объемные изменения. В работах Дубова А.А., Власова В.Т. и др. отмечено, что в процессе разрушения в материале происходят процессы разрыхления, порообразования, которые можно контролировать приборами.
В связи с тем что для оценки ресурса безопасной эксплуатации оборудования необходима информация об уровне накопленных усталостных повреждений и о моменте наступления предельного состояния, то для его определения следует использовать структурочувствительный метод, который фиксирует изменения в материале, возникающие при накоплении усталостных повреждений. В качестве метода неразрушающего контроля в работе был выбран электромагнитный метод контроля, который позволяет определять одновременно как степень поврежденности металла оборудования, так и предельное состояние.
Представлен обзор исследовательских работ по оценке фактического состояния металла оборудования на основе анализа изменения электромагнитных свойств материала, которые направлены на повышение надежности и безопасности эксплуатации оборудования. Данному направлению посвящены работы Горкунова Э.С., Мужицкого В.Ф., Дубова А.А., Власова В.Т., Агинея Р.В., Абакумова А.А., Абакумова А.А.
(мл.), Баширова М.Г., Загидуллина Р.В., Султанова М.Х., Безлюдько Г.Я., Вильданова Р.Г., Наумкина Е.А., Кондрашовой О.Г., Башировой Э.М., Шарипкуловой А.Т. и др.
В работах предыдущих исследователей показано, что по изменению электромагнитных параметров можно отслеживать динамику накопления повреждений в материале оборудования, подверженного нагружению, и оценить переход от механизма вязкого разрушения к механизму хрупкого разрушения, что фактически и характеризует предельное состояние. Все это позволяет говорить, что использование электромагнитных методов может быть положено в основу методов оценки остаточного ресурса.
Из приведенного анализа в первой главе сделаны выводы о целесообразности и актуальности выбранной темы диссертационной работы.
Во второй главе работы представлены результаты оптимизации параметров преобразователя, методики проведения и обработки результатов экспериментов, объект исследований, описано используемое оборудование.
Исследования проводились в два этапа. На первом этапе с целью получения достоверных результатов о состоянии материала оборудования при измерении электрофизических характеристик исследуемого объекта были установлены оптимальные параметры преобразователя, а также определены зона действия датчика и влияние воздушного зазора. Вызвано это тем, что плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных параметров датчика и объекта, от взаимного расположения измерительного преобразователя и объекта, а также входных параметров сигнала, поступающих на генерирующую обмотку.
На втором этапе были проведены испытания образцов при циклическом нагружении (по схеме чистого симметричного изгиба) со снятием электромагнитных параметров.
Анализ по частоте использования сталей на нефтеперерабатывающих предприятиях г. Уфы показал, что для изготовления нефтегазового оборудования широкое использование получила низколегированная сталь 09Г2С. В связи с этим в качестве испытуемого материала была выбрана данная сталь, из которой были изготовлены образцы двух типов:
для проведения исследований на первом этапе использовали образцы, представляющие собой набор пластин толщиной 2 мм размерами от 10х мм до 100х100 мм с шагом увеличения 5 мм;
для усталостных испытаний были изготовлены металлические образцы плоского типа толщиной 4 мм и рабочей зоной 120 мм согласно ГОСТ 25.502-79.
Измерения выполнялись с использованием измерительного комплекса, включающего в себя накладной вихретоковый преобразователь трансформаторного типа с сердечником с неконцентрическим расположением обмоток;
внешнее измерительное устройство Tie Pie SCOPE представляющее собой канальный прибор, HS801, 2-х 8-разрядный функционирующий в режимах осциллоскопа, вольтметра, анализатора спектра, самописца и функционального генератора;
персональный компьютер. Принципиальная схема измерения приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Принципиальная схема измерения отклика электромагнитного сигнала С помощью генератора внешнего измерительного устройства Tie Pie Scope HS801 создаются электрические колебания заданной формы и амплитуды, которые, воздействуют на возбуждающую обмотку накладного вихретокового преобразователя, создавая электромагнитное поле, наводя в объекте контроля (образце) вихревые токи, а в измерительной обмотке электродвижущую силу. Для отображения сигнала был использован осциллограф, функционирующий на базе внешнего измерительного устройства Tie Pie Scope HS801 с возможностью передачи данных на персональный компьютер.
В данной работе для оценки влияния входных параметров (амплитуда и частота) на выходной сигнал вихретокового преобразователя был использован параметр Под чувствительностью «чувствительность».
измерительного преобразователя понимают отношение изменения сигнала на выходе измерительного преобразователя к вызвавшему его изменению входного сигнала, в данном случае – это отношение амплитудных значений напряжения на входе/выходе вихретокового преобразователя.
Результаты исследований сигнала посредством варьирования входных параметров (частоты, амплитуды) приведены на рисунке 2. Амплитуда напряжения Uвх изменялась от 0,105 В до 7,0 В, а частота w от 30 до 1500 Гц.
Из приведенных на рисунке 2, а зависимостей видно, что при входных напряжениях Uвхi=0,105-7,0 В, начиная с напряжения 1 В, происходит плавное снижение чувствительности, а до достижения 1 В зафиксирован экстремум, когда чувствительность датчика минимальна. Зависимость чувствительности от частоты, приведенная на рисунке 2, б, характеризуется прямолинейным участком до достижения w = 250 Гц с последующим снижением. При выборе оптимальной частоты необходимо учитывать, что с ее увеличением глубина проникновения вихревых токов уменьшается.
2, чувствительности (Uвыхi)max/Uвхi 2, Среднее значение 2, 1, 1, 1, 0 1 2 3 4 5 6 Входное напряжение Uвхi, В 30 50 75 100 150 250 500 1000 а 2, чувствительности (Uвыхi)max/Uвхi 2, Среднее значение 2, 2, 1, 1, 1, 1, 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Частота w, Гц б Рисунок 2 – Зависимость среднего значения чувствительности (Uвыхi)max/Uвхi от Uвхi при разной частоте w (а) и от частоты w при Uвхi=0,105-7,0 В (б) В связи с этим в работе дальнейшие исследования проводились по аналогичному сценарию с установленными оптимальными параметрами преобразователя: частота, задаваемая генератором, 75 Гц, напряжение 1В, которые были использованы при измерении отклика электромагнитного сигнала при исследовании материала, подверженного усталостным испытаниям.
Было рассмотрено влияние воздушного зазора h на выходной сигнал вихретокового преобразователя и определена зона действия датчика с использованием металлических пластин. Воздушный зазор создавался путем подкладывания диэлектрических прокладок без экранирования датчика.
Среднее выходное напряжение, 3, Uср. вых х 10, В 2, 1, 0, 0 1 2 3 4 Величина зазора h, мм а 4, Среднее выходное напряжение, 3, 3, Uср. вых х 10, В 2, 2, 1, 1, 0, 0, 0 2000 4000 6000 8000 Площадь металла S, мм б Рисунок 3 – Зависимость среднего выходного напряжения Uср.вых от зазора (а) и от площади S металлического образца (б) Из результатов, приведенных на рисунке 3, а, следует, что с увеличением воздушного зазора между образцом и преобразователем происходит ослабление сигнала. При достижении величины зазора h=4 мм и выше измерение сигнала не целесообразно, потому что невозможно будет зафиксировать изменения в материале. С увеличением площади металла в зоне контроля происходит рост сигнала до достижения стабильного состояния (рисунок 3, б). Полученная зависимость позволяет установить максимальную площадь контроля, регистрируемую преобразователем, которая составляет 1600 мм2.
Для проведения исследований при циклическом нагружении была использована установка, разработанная на кафедре «Технологические машины и оборудование» УГНТУ, которая позволяет нагружать металлические образцы плоского типа, выполненные согласно ГОСТ 25.502-79. Частота нагружения исключала возможность их саморазогрева, влияющего на результаты исследования, и составляла циклов в минуту.
На установке для испытаний на усталость образцы подвергались малоцикловому нагружению по схеме чистого симметричного изгиба с заданным уровнем деформации. Значение отклика электромагнитного сигнала измерялось через каждые 500 циклов от исходного состояния до разрушения по всей поверхности рабочей зоны образца вихретоковым преобразователем.
В третьей главе приведены результаты исследований изменения электромагнитных параметров при накоплении усталостных повреждений в металле.
В процессе исследования на вход системы «вихретоковый преобразователь металл» подавалось ступенчатое воздействие по – алгоритму измерения, приведенному выше. Реакцией системы на входное воздействие был переходный процесс: переход системы от одного установившегося режима к другому при заданных входных воздействиях.
Анализ выходного сигнала системы позволяет выделить параметры, которые характеризуют динамические свойства системы и переменного электрического сигнала (рисунок 4).
Рисунок 4 – Выходной сигнал системы «электромагнитный преобразователь – металл»;
1 – область, характеризующая динамические свойства системы;
2 – область, определяющая переменный электрический сигнал В работе для оценки предельного состояния при циклических испытаниях по отклику электромагнитного сигнала в качестве измеряемого параметра был использован переменный электрический сигнал, который независимо от формы характеризуется амплитудным (максимальным), средним и действующим (эффективным) значением напряжения.
Под амплитудным значением переменного напряжения подразумевается наибольшее мгновенное значение U M = max{u (t )}.
Данный параметр оказался не чувствителен к предельному состоянию, поэтому дальнейшее его рассмотрение в данной работе не производилось.
Действующее переменное напряжение характеризуется среднеквадратичным значением за период и вычисляется по формуле 1T u (t )dt, U= T где T – период сигнала, u(t) – напряжение в момент времени t.
Среднее значение напряжения определяется по формуле 2 T/ u (t )dt.
U СР = T В результате проведенных исследований построены зависимости действующего и среднего значений напряжения в относительных координатах от уровня накопленных усталостных повреждений (рисунки 5, 6). Полученные зависимости показывают общую тенденцию снижения напряжений и имеют экстремум, соответствующий уровню накопленных усталостных повреждений Ni/Np=0,8.
Рисунок 5 – Зависимость относительного действующего напряжения от уровня накопленных усталостных повреждений Ni/Nр Рисунок 6 – Зависимость относительного среднего напряжения от уровня накопленных усталостных повреждений Ni/Nр Аналогичный результат был получен в работе Кондрашовой О.Г., где было установлено, что характер изменения напряженности постоянного магнитного поля и параметра скрытой упорядоченности структуры одинаков и полученные зависимости имеют экстремум, соответствующий степени поврежденности Ni/Np=0,77, который соответствует предельному состоянию материала, в качестве которого была использована также сталь 09Г2С.
В исследованиях Прохорова А.В. показано, что достижение уровня накопленных повреждений Ni/Np0,8 в стали 09Г2С также соответствует состоянию предразрушения, которое сопровождается полным разрушением ячеистой структуры внутри фрагментов, зарождением и ростом микропор, развитием микротрещин, что также подтверждает правомерность полученных зависимостей.
В результате проведенных испытаний было установлено, что чувствительным параметром отклика электромагнитного сигнала к изменению характеристик поверхности материала при накоплении в нем усталостных повреждений является степень затухания, которая качественно характеризует интенсивность затухания колебательного переходного процесса и вычисляется по формуле A3i i = 1, A1i где А3i – третья амплитуда сигнала в момент времени t3i, А1i – первая амплитуда сигнала в момент времени t1i.
По изменению данного параметра можно оценить степень поврежденности материала оборудования. Зависимость относительного значения степени затухания переходного процесса отклика электромагнитного сигнала от уровня накопленных усталостных повреждений Ni/Nр представлена на рисунке 7.
Рисунок 7 – Зависимость относительного значения степени затухания от уровня накопленных усталостных повреждений Ni/Nр В результате испытаний установлено, что при накоплении в материале усталостных повреждений имеет место повышение степени затухания переходного процесса отклика электромагнитного сигнала. Данная зависимость описывается линейным законом = 0,0827· Ni/Np.
В процессе разрушения важную роль играет масса и плотность материала, а главной причиной разрушения является уменьшение его плотности. Учитывая данный факт, можно предположить, что разрыхление, порообразование материала приводит к замедлению прохождения сигнала различной физической природы, что можно использовать для получения дополнительной информации о состоянии материала. Ранее в работах Муравьева В.В., Зуева Л.Б., Наумкина Е.А., Прохорова А.В. было зафиксировано, что скорость распространения ультразвуковых волн при накоплении повреждений в материале изменяется – время прохождения сигнала меняется.
С этой целью в качестве параметра, характеризующего состояние материала, при обработке результатов электромагнитных измерений был выбран временной параметр при измерении отклика электромагнитного сигнала.
Длительность отклика электромагнитного сигнала в работе оценивалась через интенсивность затухания колебательного переходного процесса и вычислялась по формуле T ti =, ln( A3 j / A1 j ) где А3j – третья амплитуда сигнала в момент времени t3j, А1j – первая амплитуда сигнала в момент времени t1j, T – длительность отдельного колебания.
При этом, коэффициент затухания есть величина, обратная промежутку времени, в течение которого амплитуда убывает в e раз.
Зависимость изменения длительности отклика электромагнитного сигнала от уровня накопления усталостных повреждений показана на рисунке 8.
Рисунок 8 - Зависимость изменения длительности отклика электромагнитного сигнала ti от уровня накопления усталостных повреждений Ni/Nр В четвертой главе описан метод, позволяющий оценить ресурс безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования, подверженного циклическому нагружению, с применением результатов электромагнитных измерений. На рисунке 9 представлена схема алгоритма разработанного метода.
Анализ технической документации и эксплуатационных сведений об объекте Исследования на объекте Испытания образцов Выявление потенциально опасных зон: численным методом или путем измерения и т.д.
Измерение в Построение Получение Построение Определение j в Измерение U в кривой потенциально опасных потенциально калибровочных калибровочных потенциально усталости зонах: расчетным зависимостей зависимостей опасных зонах опасных зонах металла методом, приборами = f (Ni/Nр) U = f (Ni/Nр) Уровень накопленных усталостных повреждений {(Ni/Nр)1, (Ni/Nр)2, (Ni/Nр)3…(Ni/Nр)j} Uпред = f (Ni/Nр) Количество циклов до разрушения {Nр1, Nр2, Nр3… Nрj} Фактическое количество циклов, Предельное значение количества циклов которое отработало оборудование Nпред = min{Nпред1, Nпред2, N пред3… N предj} Ni = max{Ni1, Ni2, Ni3… Nij} Ni Nпред Ni Nпред Принятие решение о Остаточный ресурс дальнейшей эксплуатации оборудования T = Nпред - Ni оборудования Рисунок 9 – Схема алгоритма определения остаточного ресурса оборудования с использованием результатов измерения электромагнитных характеристик В основу алгоритма положены следующие базовые параметры:
степень затухания переходного процесса отклика – электромагнитного сигнала;
U – напряжение отклика электромагнитного сигнала;
Ni и Nпред – фактическое и предельное значения количества циклов нагружения в потенциально опасной зоне;
Nр – количество циклов до разрушения;
Ni/Nр – уровень накопленных усталостных повреждений в материале оборудования;
j – механическое напряжение в потенциально опасной зоне;
j = 1…n – наименование потенциально опасной зоны.
При проведении оценки ресурса оборудования необходимо выполнять следующие действия:
определить по паспортным данным, цеховым журналам или иной технической документации количество циклов нагружения на данный момент времени. При этом необходимо учитывать количество пусков, остановок, гидравлических или пневматических испытаний, изменение режимов работы, замену изношенных элементов, частоту проведенных ремонтных работ;
провести усталостные испытания образцов в малоцикловой области деформирования с периодическим измерением величины электромагнитных параметров поверхности материала от исходного состояния до полного разрушения образца и построить калибровочные зависимости;
установить экспериментальную зависимость амплитуды напряжений от количества циклов до разрушения (кривая усталости);
разработать программу диагностирования объекта с выявлением потенциально опасных зон и произвести измерение отклика электромагнитного сигнала на оборудовании в данных зонах;
определить в них расчетным методом или путем измерений механическое напряжение;
по калибровочным зависимостям = f (Ni/Nр) с учетом электромагнитных параметров, полученных с объекта в потенциально опасных зонах, определить уровень накопленных усталостных повреждений (Ni/Nр)j;
по информации о механическом напряжении в потенциально опасных зонах и кривой усталости установить количество циклов до разрушения (Nр)j;
определить фактическое количество циклов, которое отработало оборудование, и выбрать максимальное Ni = max { Ni1, Ni2… Nij };
по калибровочным зависимостям U = f (Ni/Nр) и информации о количестве циклов до разрушения (Nр)j определить предельное значение количества циклов и выбрать минимальное Nпред = min { Nпред1, Nпред2… N предj };
произвести расчет ресурса безопасной эксплуатации оборудования по информации о предельном и фактическом количестве циклов и принять решение о дальнейшей его эксплуатации.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Разработан метод оценки остаточного ресурса оборудования 1.
нефтегазоперерабатывающей промышленности, подверженного малоцикловой усталости, на основе установления связи между изменением параметров отклика электрического сигнала и степенью накопления усталостных повреждений.
Установлено, что при измерении электромагнитных характеристик 2.
исследуемого объекта трансформаторным датчиком с сердечником и неконцентрическим расположением обмоток оптимальными параметрами для измерения отклика электромагнитного сигнала от металла являются частота, задаваемая генератором, 75 Гц, напряжение 1 В, с зоной охвата вихревых токов 1600 мм2 и способностью преодоления воздушного зазора до 4 мм.
Получены зависимости среднего и действующего значений напряжения 3.
отклика электромагнитного сигнала от степени накопленных усталостных повреждений в стали 09Г2С, которые позволяют количественно оценить уровень поврежденности. Данные зависимости имеют общую тенденцию снижения, а при достижении Ni/Np=0,8 наблюдается экстремум, который соответствует предельному состоянию материала.
Установлено, что параметр степени затухания переходного процесса 4.
отклика электромагнитного сигнала при накоплении усталостных повреждений в стали 09Г2С увеличивается, а зависимость имеет линейный характер = 0,0827· Ni/Np.
Показано, что при накоплении усталостных повреждений длительность 5.
отклика электромагнитного сигнала изменяется и качественно позволяет оценивать степень поврежденности материала оборудования.
Разработан и утвержден стандарт предприятия ФГБОУ ВПО Уфимский 6.
государственный нефтяной технический университет СТО УГНТУ 003- долговечности оборудования, эксплуатируемого в условиях «Оценка малоцикловой усталости, с учетом результатов электромагнитных измерений».
Предложенный метод оценки остаточного ресурса и предельного 7.
состояния материала оборудования используется в учебном процессе при проведении занятий по дисциплине «Разрушение конструкционных материалов в условиях переработки нефти и газа» при подготовке магистрантов по направлению 150400 - Технологические машины и оборудование.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Яковлев, А.В. Влияние усталостных накоплений повреждений на 1.
изменение поверхностной энергии стали 09Г2С / А.В. Яковлев, Р.А. Хамадеев, Т.Р. Бикбулатов, Д.Б. Насретдинов, А.Е. Прохоров, Е.А. Наумкин // Материалы 56-й научно-технической конференции студентов аспирантов и молодых ученых УГНТУ. – Уфа: УГНТУ, 2005. – C. 141.
Шарипкулова, А.Т. Диагностирование оборудования по результатам 2.
измерения электрофизических параметров А.Т. Шарипкулова, / Е.А. Наумкин, Т.Р. Бикбулатов // Материалы международной научно практической конференции безопасность на «Промышленная взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах». – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. – С. 171-176.
Петров, В.А. Оценка предельного состояния материала оборудования 3.
электромагнитным методом контроля / В.А. Петров, Т.Р. Бикбулатов, Е.А. Наумкин // Материалы 60-й научно-технической конференции студентов аспирантов и молодых ученых УГНТУ. – Уфа: УГНТУ, 2009. – C. 160.
Петров, В.А. Определение оптимальных параметров измерения 4.
электромагнитных характеристик металла вихретоковым методом контроля / В.А. Петров, Т.Р. Бикбулатов, Е.А. Наумкин // Материалы I Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – С. 134-135.
Бикбулатов, Т.Р. Выбор оптимальных параметров вихретокового 5.
преобразователя при оценке технического состояния / Т.Р. Бикбулатов, Е.А. Наумкин, В.А. Петров, И.Р. Кузеев // Химическая техника. – 2010. № 3. – С.
11-13.
Петров, В.А. Оценка предельного состояния стали 09Г2С по отклику 6.
электромагнитного сигнала / В.А. Петров, Т.Р. Бикбулатов, Е.А. Наумкин // Материалы 61-й научно-технической конференции студентов аспирантов и молодых ученых УГНТУ. – Уфа: УГНТУ, 2010. – C. 224.
Бикбулатов, Т.Р. Оптимизация параметров вихретокового 7.
преобразователя при оценке технического состояния оборудования / Т.Р. Бикбулатов, Е.А. Наумкин, В.А. Петров // Материалы IV научно практической конференции безопасность на «Промышленная взрывопажароопасных и химически опасных производственных объектах». – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. – С. 142-147.
Наумкин, Е.А. Оценка предельного состояния стали по параметрам 8.
переменного электрического сигнала / Е.А. Наумкин, Т.Р. Бикбулатов, М.И. Кузеев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2011.
№5.
URL: http://www.ogbus.ru/authors/Naumkin/Naumkin_1.pdf Наумкин, Е.А. Двухпараметрический контроль различных стадий 9.
упругопластического нагружения образцов из стали 09Г2С / Е.А. Наумкин, Э.Р. Юмаева, Т.Р. Бикбулатов, М.И. Кузеев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2011. №5.
URL: http://www.ogbus.ru/authors/Naumkin/Naumkin_2.pdf 10. Наумкин, Е.А. Оценка степени поврежденности материала оборудования по изменению степени затухания отклика электрического сигнала / Е.А. Наумкин, Т.Р. Бикбулатов, М.И. Кузеев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2011. №5.
URL: http://www.ogbus.ru/authors/Naumkin/Naumkin_3.pdf