pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2019-10-1-42-52pimi-423Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsПрибор и методики измерения акустической анизотропии и остаточных напряжений металла магистральных газопроводовDevice and Methods for Measuring of Acoustic Anisotropy and the Residual Stress in the Main Gas Pipelines’ MetalВолковаЛ. B.VolkovaL. V.

Адрес для переписки: Л.В. Волкова – Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова,

ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069, Россия.     e-mail: ludmila396@rambler.ru

Address for correspondence: L.V. Volkova – Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069, Russia.     e-mail: ludmila396@rambler.ru

ludmila396@rambler.ruМуравьеваО. В.Murav’evaO. V.

Студенческая, 7, г. Ижевск 426069; 

ул. им. Татьяны Барамзиной, 34, г. Ижевск 426067

МуравьевВ. В.Murav’evV. V.

Студенческая, 7, г. Ижевск 426069; 

ул. им. Татьяны Барамзиной, 34, г. Ижевск 426067

БулдаковаИ. В.BuldakovaI. V.

Студенческая, 7, г. Ижевск 426069

 

Ижевский государственный технический университет имени М.Т. КалашниковаРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical UniversityRussian FederationИжевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова; Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наукРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical University; Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2019150320191014252Copyright © Волкова Л.B., Муравьева О.В., Муравьев В.В., Булдакова И.В., 20192019Волкова Л.B., Муравьева О.В., Муравьев В.В., Булдакова И.В.Volkova L.V., Murav’eva O.V., Murav’ev V.V., Buldakova I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/423

Одним из основных условий безопасной эксплуатации магистральных газопроводов является использование неразрушающих методов контроля, что особенно актуально при решении задач ранней оперативной диагностики материала труб. Цель работы – разработка методик акустической оценки напряженно-деформированного состояния, упругих модулей и анизотропии свойств материала трубопровода и исследование этих характеристик в вырезках магистральных трубопроводов с использованием прибора на основе бесконтактных электромагнитно-акустических преобразователей.

Методики реализуются с использованием структуроскопа СЭМА и бесконтактных преобразователей. В качестве объекта исследований использованы вырезки магистральных газопроводов с кольцевыми сварными швами, с коррозионным растрескиванием под напряжением и без видимых повреждений. Методика определения плоского напряженно-деформированного состояния элементов трубопровода основана на явлении акустоупругости. Методика определения упругих характеристик материалов и анизотропии их свойств основана на связи скоростей ультразвуковых волн с упругими свойствами среды. Методики реализуются за счет прозвучивания образца с использованием продольной волны и двух сдвиговых волн с взаимно перпендикулярными поляризациями, совпадающими с главными напряжениями.

Показано, что распределение напряженного состояния является неравномерным, что обусловлено особенностями образцов. Анизотропия свойств большинства образцов находится в диапазоне 12–14 % по модулю сдвига, 9–10 % по модулю Юнга, 13–15 % по коэффициенту Пуассона. Для образцов с коррозионным растрескиванием под напряжением наблюдается резкое уменьшение коэффициента анизотропии, что позволяет использовать указанные характеристики в качестве информативных параметров при выявлении коррозионного растрескивания под напряжением.

Особенностью предложенных методик является высокая точность, обусловленная отсутствием необходимости определения плотности материала и прецизионного измерения его толщины, погрешность измерения которых известными методами значительна.

One of the main conditions of safe operation of gas pipelines is the use of non-destructive diagnostic methods. Particularly important problem is the earlier operational diagnosis of pipes’ material of main gas pipelines based on the evaluation of the stress-strain state, elastic moduli and properties anisotropy by acoustic methods. The aim of the work is to develop methods for acoustic assessment of the stress-strain state, the elastic moduli and the properties anisotropy of pipeline material and to study these characteristics in different sections of main pipelines using a device based on contactless EMA transducers.

Methods are implemented using specialized equipment (the structurescope SEMA) and non-contact electromagnetic acoustic transducers. As an object of research, we used fragments – the cuttings of gas pipelines with circumferential welds both after fabrication and removed from service with stress corrosion cracking, including ones with corrosion damage and without visible damage.

The method of determining the plane stress-strain state of pipeline elements is based on the phenomenon of acoustoelasticity – the dependence of the propagation velocity of ultrasonic waves on mechanical stresses. The method for determining the elastic characteristics of materials and the anisotropy of their properties is based on the relationship between the velocities of ultrasonic waves and the elastic properties of the medium. Both techniques are implemented by sounding the sample in one section using a longitudinal wave and two shear waves with mutually perpendicular polarization planes coinciding with the main stresses, and measuring their propagation times.

It is shown that the stress state distribution both in the circumferential direction and along the generatrix is uneven which is caused by the peculiarities of samples (presence of a welded joint, stress corrosion cracking, long-term operation). The smallest acoustic anisotropy is observed for the Young's modulus. The anisotropy of the properties of most samples is in the range of 12–14 % for shear modulus, 9–10 % for Young’s modulus, 13–15 % for Poisson’s ratio. For samples with stress corrosion cracking a sharp decrease in the anisotropy coefficient is observed which makes it possible to use the indicated characteristics as informative parameters in detecting stress corrosion cracking.

A feature of the proposed methods is high accuracy, due to the absence of necessity to determine the material density and precision measurement of its thickness, the measurement error of which is significant by known methods.

Keywords: main gas pipeline, elastic moduli, acoustic anisotropy of properties, the biaxial stress-strain state, longitudinal and transversal waves.

магистральный газопроводмодули упругостиакустическая анизотропия свойствдвухосное напряженно-деформированное состояниепродольные и поперечные волныРоссийский научный фонда (проект № 18-79-10122) и Министерство науки и высшего образования (проект № 3.5705.2017/ВУ)Russian Science Foundation (project no. 18-79-10122) and Ministry of Science and Higher Education (project no. 3.5705.2017/6.7)ReferencesМелёхин, О.Н. Автоматизированный неразрушающий контроль магистральных газопроводов с применением наружных сканеров дефектоскопов / О.Н. Мелёхин [и др.] // Газовая промышленность. – 2015. – № S2(724). – С. 44–48.Melehin O.N., Vjalyh I.L., Lazarev V.L., Zotov D.А., Remizov A.E., Lipovik А.V., Dejneko S.V. [Major gas pipeline automated nonintrusive testing practices using external flaw locator scanners]. Gazovaja promyshlennost' [Gas Industry], 2015, no. S2(724), pp. 44–48 (in Russian).Matvienko, A.F. The quality control of underground gas pipelines via the electromagnetic and acoustic method / A.F. Matvienko [et al.] // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2015. – Vol. 51, no. 9. – P. 546–553. DOI: 10.1134/S1061830915090077Matvienko A.F., Loskutov V.E., Babkin S.A., Korzunin G.S. The quality control of underground gas pipelines via the electromagnetic and acoustic method. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2015, Vol. 51, no. 9, pp. 546–553. DOI: 10.1134/S1061830915090077Wenbo Duan Spectral subtraction and enhancement for torsional waves propagating in coated pipes / Wenbo Duan [et al.] // NDT & E International. – 2018. – Vol. 100. – P. 55–63. DOI: 10.1016/j.ndteint.2018.08.009Duan W., Kanfoud J., Deere M., Mudge P., Gan T.-H. Spectral subtraction and enhancement for torsional waves propagating in coated pipes. NDT & E International, 2018, vol. 100, pp. 55–63. DOI: 10.1016/j.ndteint.2018.08.009Murav’eva, O.V. Torsional waves excited by electromagnetic-acoustic transducers during guidedwave acoustic inspection of pipelines / O.V. Murav’eva, S.A. Murashov, S.V. Len’kov // Acoustical Physics. – 2016. – Vol. 62, no. 1. – P. 117–124. DOI: 10.7868/S032079191506009XMurav’eva O.V., Murashov S.A., Len’kov S.V. Torsional waves excited by electromagnetic-acoustic transducers during guided-wave acoustic inspection of pipelines. Acoustical Physics, 2016, vol. 62, no 1, pp. 117–124. DOI: 10.7868/S032079191506009XDavydov, V.V. A contactless method for testing inner walls of pipelines / V.V. Davydov [et al.] // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2018. – Vol. 54, no. 3. – P. 213–221. DOI: 10.1134/S1061830918030051Davydov V.V., Myazin N.S., Logunov S.E., Fadeenko V.B. A contactless method for testing inner walls of pipelines. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2018, vol. 54, no. 3, pp. 213–221. DOI: 10.1134/S1061830918030051Hyung, M.K. Defects detection of gas pipeline near the welds based on self quotient image and discrete cosine transform / M.K. Hyung, C. Doo-Hyun // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2016. – Vol. 52, no. 3. – P. 175–183. DOI: 10.1134/S1061830916030049Hyung M.K., Doo-Hyun C. Defects detection of gas pipeline near the welds based on self quotient image and discrete cosine transform. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2016, vol. 52, no. 3, pp. 175–183. DOI: 10.1134/S1061830916030049Краснов, А.Н. Прогнозирование динамических нагрузок в газопроводах на основе методов идентификации / А.Н. Краснов // Интеллектуальные системы в производстве. – 2017. – Т. 15, № 4. – С. 83–88.Krasnov A.N. [Forecasting dynamic loads in gas pipelines based on identification methods]. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve [Intellectual Systems in Manufacturing], 2017, vol. 15, no. 4, pp. 83–88 (in Russian).Тымчик, Г.С. Алгоритм обработки данных системы контроля монтажа клеесварной муфты на магистральном трубопроводе / Г.С. Тымчик, А.А. Подолян // Приборы и методы измерений. – 2014. – № 1(8). – С. 63–67.Tymchik G.S., Podolian A.A. [Monitoring system data processing algorithm of weld-bonded coupling installation of the main pipelines]. Pribory i metody izmerenij [Devices and Methods of Measurements], 2014, vol. 8, no. 1, pp. 63–67 (in Russian).Басиев, К.Д. Влияние упругой энергии сжатого газа на развитие коррозионных и коррозионно-механических трещин в магистральных газопроводах / К.Д. Басиев [и др.] // Газовая промышленность. – 2018. – № 7(771). – С. 96–100.Basiev K.D., Dzioev K.M., Alborov A.D., Dzutsev T.M. [Influence of elastic strain energy of compressed gas on the development of corrosion and mechanical-corrosion cracks in the main gas pipelines]. Gazovaja promyshlennost' [GAS Industry of Russia], 2018, no. 7(771), pp. 96–100 (in Russian).Gonchar, A.V. Variation of elastic characteristics of metastable austenite steel under cycling straining / A.V. Gonchar [et al.] // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. – 2017. – Vol. 62, no. 4. – P. 537–541. DOI: 10.1134/S1063784217040089Gonchar A.V., Mishakin V.V., Klyushnikov V.A., Kurashkin K.V. Variation of elastic characteristics of metastable austenite steel under cycling straining. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2017, vol. 62, no. 4, pp. 537–541. DOI: 10.1134/S1063784217040089Mishakin, V.V. Relation between the deformation energy and the Poisson ratio during cyclic loading of austenitic steel / V.V. Mishakin, V.A. Klyushnikov, A.V. Gonchar // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. – 2015. – Vol. 60, no. 5. – P. 665– 668. DOI: 10.1134/S1063784215050163Mishakin V.V., Klyushnikov V.A., Gonchar A.V. Relation between the deformation energy and the Poisson ratio during cyclic loading of austenitic steel. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2015, vol. 60, no. 5, pp. 665–668. DOI: 10.1134/S1063784215050163Мишакин, В.В. Измерение характеристик текстуры конструкционной стали 15ЮТА акустическим методом при усталостном разрушении / В.В. Мишакин [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2018. – Т. 84, № 7. – С. 30–34. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-7-30-34Mishakin V.V., Serebryany V.N., Gonchar A.V., Klyushnikov V.A. [Acoustic study of the texture characteristics of 15YuTA construction steel in fatigue failure conditions]. Zavodskaja laboratorija. Diagnostika materialov [Industrial Laboratory], 2018, vol. 84, no. 7, pp. 30–34 (in Russian). DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-7-30-34Murav’eva, O.V. Methodological peculiarities of using shand Lamb waves when assessing the anisotropy of properties of flats / O.V. Murav’eva, V.V. Murav’ev // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2016. – Vol. 52, no. 7. – P. 363–369. DOI: 10.1134/S1061830916070056Murav’eva O.V., Murav’ev V.V. Methodological peculiarities of using shand Lamb waves when assessing the anisotropy of properties of flats. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2016, vol. 52, no. 7, pp. 363–369. DOI: 10.1134/S1061830916070056Матюк, В.Ф. Контроль качества термообработки изделий из конструкционных среднеуглеродистых сталей на основе двухполярного импульсного перемагничивания / В.Ф. Матюк, В.А. Бурак // Приборы и методы измерений. – 2014. – № 1(8). – С. 57–62.Matyuk V.F., Burak V.A. [Quality testing of heat treatment of medium-carbon steel construction items based on the bipolar pulsed remagnetization]. Pribory i metody izmerenij [Devices and Methods of Measurements], 2014, vol. 8, no. 1, pp. 57–62 (in Russian).Filinov, V.V. Monitoring stressed state of pipelines by magnetic parameters of metal / V.V. Filinov, A.N. Kuznetsov, P.G. Arakelov // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2017. – Vol. 53, no. 1. – P. 51– 61. DOI: 10.1134/S1061830917010065Filinov V.V., Kuznetsov A.N., Arakelov P.G. Monitoring stressed state of pipelines by magnetic parameters of metal. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2017, vol. 53, no. 1, pp. 51–61. DOI: 10.1134/S1061830917010065Uglov, A.L. On the inspection of the stressed state of anisotropic steel pipelines using the acoustoelasticity method / A.L. Uglov, A.A. Khlybov // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2015. – Vol. 51, no. 4. – P. 210–216. DOI: 10.1134/S1061830915040087Uglov A.L., Khlybov A.A. On the inspection of the stressed state of anisotropic steel pipelines using the acoustoelasticity method. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2015, vol. 51, no. 4, pp. 210–216. DOI: 10.1134/S1061830915040087Smirnov, A.N. Acoustic evaluation of the stressstrained state of welded carbon steel joints after different modes of heat input / A.N. Smirnov [et al.] // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2018. – Vol. 54, no. 1. – P. 37–43. DOI: 10.1134/S1061830918010072Smirnov A.N., Knyazkov V.L., Abakov N.V., Ozhiganov E.A., Koneva N.A., Popova N.A. Acoustic evaluation of the stress-strained state of welded carbon steel joints after different modes of heat input. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2018, vol. 54, no. 1, pp. 37–43. DOI: 10.1134/S1061830918010072Муравьев, В.В. Исследования структурного и напряженно-деформированного состояния рельсов текущего производства методом акустоупругости / В.В. Муравьев [и др.] // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2018. – Т. 21, № 2. – С. 13–23. DOI: 10.22213/2413-1172-2018-2-13-23Murav’ev V.V., Volkova L.V., Platunov A.V., Buldakova I.V., Gushchina L.V. [Investigations of the structural and strain-stress state of the rails of current production by the acoustic elasticity method]. Vestnik IzhGTU im. M.T. Kalashnikova [Bulletin of Kalashnikov ISTU], 2018, vol. 21, no. 2, pp. 13–23 (in Russian). DOI: 10.22213/2413-1172-2018-2-13-23Babkin, S.E. The determination of the Poisson ratio for ferromagnetic materials using the EMA method / S.E. Babkin // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2015. – Vol. 51, no. 5. – P. 303–307. DOI: 10.1134/S1061830915050022Babkin S.E. The determination of the Poisson ratio for ferromagnetic materials using the EMA method. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2015, vol. 51, no. 5, pp. 303–307. DOI: 10.1134/S1061830915050022Murav’ev, V.V. Influence of the mechanical anisotropy of thin steel sheets on the parameters of lamb waves / V.V. Murav’ev, O.V. Murav’eva, L.V. Volkova // Steel in Translation. – 2016. – Vol. 46, no. 10. – P. 752– 756. DOI: 10.3103/S0967091216100077Murav’ev V.V., Murav’eva O.V., Volkova L.V. Influence of the mechanical anisotropy of thin steel sheets on the parameters of lamb waves. Steel in Translation, 2016, vol. 46, no. 10, pp. 752–756. DOI: 10.3103/S0967091216100077Стрижак, В.А. Информационно-измерительная система возбуждения, приема, регистрации и обработки сигналов электромагнитно-акустических преобразователей / В.А. Стрижак [и др.] // Интеллектуальные системы в производстве. – 2011. – № 1(17). – С. 243–250.Strizhak V.A., Pryakhin A.V., Obukhov S.A., Efremov A.B. [The information and measuring system for excitation, detection, registration and processing of signals from electromagnetic-acoustic transducers]. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve [Intellectual Systems in Manufacturing], 2011, no. 1(17), pp. 243–250 (in Russian).Nikitina, N.E. Application of the acoustoelasticity phenomenon in studying stress states in technological pipelines / N.E. Nikitina, A.V. Kamyshev, S.V. Kazachek // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2009. – Vol. 45, iss. 12. – P. 861–866. DOI: 10.1134/S1061830909120043.Nikitina N.E., Kamyshev A.V., Kazachek S.V. Application of the acoustoelasticity phenomenon in studying stress states in technological pipelines. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2009, vol. 45, no. 12, pp. 861–866. DOI: 10.1134/S1061830909120043

The authors declare that there are no conflicts of interest present.