Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование методов входного контроля обетонированных труб для строительства нефтегазопроводов

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методов входного контроля обетонированных труб для строительства нефтегазопроводов"

На правах рукописи

Попова Алёна Ивановна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ ОБЕТОНИРОВАННЫХ ТРУБ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

25.00.19 — Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

Ухта-2013

005534857

Диссертация выполнена на кафедре "Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов" ФБГОУ ВПО "Ухтинский государственный технический университет"

Научный руководитель: Вишневская Надежда Семеновна

кандидат технических наук, доцент кафедры ПЭМГ, Ухтинский государственный технический университет

Официальные оппоненты: Шарыгин Александр Михайлович

доктор технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов, Ухтинский государственный технический университет, ведущий научный сотрудник отдела прочности и надежности магистральных газопроводов ОАО «Газпром» МИНТОПЭНЕРГО

Крапивский Евгений Исаакович доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Ведущая организация: филиал ООО "Газпром ВНИИГАЗ" в г. Ухта

Защита состоится 30 октября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д.212.291.02 в Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300, г. Ухта, Республика Коми, ул. Первомайская, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета

Автореферат диссертации разослан "_"_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук •*' ' М. М. Бердник

Введение

Актуальность темы

Доля обетонированных труб используемых в трубопроводном строительстве неуклонно возрастает. Это связано с увеличением объемов строительства трубопроводов, сооружаемых по дну морей и в речных акваториях.

Балластное покрытие трубы изначально может иметь дефекты, снижающие его работоспособность, или получить их в процессе доставки и хранения. Между тем, существующие методы обследования бетона не могут быть использованы для оценки качества балластного слоя обетонированной трубы и требуют адаптации к условиям стройплощадки с учетом конструкции бетонного покрытия. Поэтому совершенствование методов оценки технического состояния обетонированных труб при строительстве нефтегазопроводов является важной и неотложной задачей. Особенно это актуально при организации входного контроля поступающих на трассу строительных конструкций, изделий и материалов.

Цель работы

Совершенствование методов входного контроля обетонированных труб для строительства нефтегазопроводов.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели в работе требуется решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов входного контроля обетонированных труб для выявления возможных дефектов, снижающих работоспособность конструкции;

- сформировать методический комплекс для проведения исследования;

- выполнить теоретические и экспериментальные исследования по совершенствованию методов входного контроля обетонированных труб;

- усовершенствовать методику входного контроля обетонированной трубы;

- оценить результаты промышленного применения методики.

Научная новизна

1. Установлено, что для построения градуировочной зависимости при настройке ультразвукового дефектоскопа граничные условия Пирсона г> 0,7 и отношение среднеквадратического отклонения к средней прочности 8ДФ< 0,15 соблюдаются при числе испытаний методом отрыва со скалыванием не менее 6 и числе ультразвуковых замеров не менее 12;

2. Установлена зависимость расстояния Ь между точками акустического контакта датчиков на поверхности бетонного слоя от глубины Н выявляем ости дефекта, имеющая линейный характер и описываемая уравнением Ь = 102,9Н-9,6;

3. Найдена зависимость минимального размера полостных дефектов <1т{П от относительного изменения времени распространения колебаний вызываемых дефектом, и расстояния между искателями Ъ. При использовании иска-

2 0,5

телей с сухим точечным контактом зависимость имеет вид с1т!п = -1) ;

4. Установлено, что проведение замеров сквозь полимерный слой позволяет снизить погрешность определения размера подповерхностного дефекта до 2 раз.

Практическая значимость

1. Разработана методика построения градуировочной зависимости для настройки УЗ приборов, не прибегая к кернированию;

2. Предложены схема предварительной разметки бетонной поверхности и усовершенствование конструкции устройства, удерживающего конусные преобразователи, для обследования участка на всю глубину и, при одновременном использовании 4 искателей, сократив время проведения контроля в 3 раза;

3. Предложен способ ультразвукового зондирования бетона сквозь слой полимерной ленты для определения прочности бетона, обнаружения полостных и дефектных участков;

4. Разработан алгоритм обследования бетонного слоя;

5. Предложены математические зависимости для определения размеров единичных включений и дефектных зон способом поверхностного прозвучи-вания при одностороннем доступе к объекту;

6. Разработаны методы для входного контроля качества обетонированных труб, позволяющие произвести их домонтажную отбраковку и повысить надежность магистрального трубопровода;

7. Методика построения градуировочной зависимости для контроля прочности бетона ультразвуковым дефектоскопом в сочетании с методом отрыва со скалыванием и другие результаты исследований внедрены в практику работы предприятий ООО "Точность", ООО "Эксперт Коми", ООО "Ростехкон-троль";

8. Разработана "Методика входного контроля обетонированной трубы" и внедрена на предприятии "Проектный институт нефти и газа Ухтинского государственного технического университета". Результаты исследования использованы при разработке учебного пособия.

Методология и методы исследования

Методология исследования базируется на общенаучных стандартных методах анализа и обобщения фактического материала.

На теоретическом уровне исследования использовались такие методы, как формализация процессов и явлений, принятие гипотезы, создание теории на основе известных математических подходов и приемом.

Для изучения процессов и явлений применялся модельный эксперимент в лабораторных условиях и натурный эксперимент на конструкции обетонированной трубы.

Положения, выносимые на защиту

Разработанная методика построения градуировочной зависимости, предназначенная для настройки ультразвукового дефектоскопа при контроле качества бетонного слоя (заявка №2013121163 от 07.05.2013 г).

Установленная зависимость расстояния между точками акустического контакта датчиков от глубины выявления дефекта, определяющая необходимое расстояние между искателями.

Разработанный метод ультразвукового контроля, позволяющий в условии одностороннего доступа выявить пустоты в бетонном слое и определить размеры этих пустот.

Предложенный способ ультразвукового контроля, позволяющий обнаружить единичные дефекты (посторонние включения) и дефектные зоны (зоны с нарушенной структурой) способом ультразвукового зондирования сквозь слой полимерной ленты.

Усовершенствованная методика входного контроля, включающая контроль бетонного слоя обетонированных труб.

Достоверность полученных результатов обеспечивается повторяемостью результатов, использованием для исследования образцов, по своему строению и характеру дефектов максимально приближенных к фактическому строению бетонного покрытия трубы, репрезентативным количеством выполненных измерений, корректным применением современных теоретических и экспериментальных методов исследований, а также использованием поверенного исследовательского оборудования, приборов и средств измерений и привлечением аттестованных специалистов.

Апробация результатов исследования

Основные результаты диссертационного исследования были представлены: на научно-технической конференции (13-15 апреля 2010 г., УГТУ, г.Ухта); на межрегиональном семинаре Рассохинские чтения (3-4 февраля 2011 г., УГТУ, г. Ухта); на 8-м Международном Молодежном Нефтегазовом Форуме, (16-17 апреля 2011 г., КазНТУ, г. Алматы); на научно-технической конференции преподавателей и сотрудников (12-15 апреля 2011 г., УГТУ, г.Ухта); на научно-технической конференции (17-20 апреля 2012 г., УГТУ, г.Ухта); на 4-ой научно-практическая конференции "Республика Коми: вчера, сегодня, завтра. Перспективы развития в XXI века" (26-27 октября 2011 г., УГТУ, г. Ухта); на VIII Международной учебно-научно-практической конференции "Трубопроводный транспорт - 2012" (8-9 ноября 2012 г., УГНТУ, г. Уфа); на межрегиональной научно-технической конференции "Актуальные проблемы разработки нефтяных месторождений" (24-25 октября 2012 г., ООО "ЛУКОЙЛ-Инжиниринг" "ПечорНИПИнефть", г. Ухта); на Всероссийской конференции "Развитие инженерного образования в России" в "Выставке молодежных научно-исследовательских проектов. Санкт-Петербургский образовательный форум - 2012"(с 28 марта по 1 апреля 2012 г., г. Санкт-Петербург); на IV Всероссийском конкурсе молодых ученых (с 16-18 октября 2012 г., г. Миасс).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 22 научные работы, в том числе 9 в изданиях, включенных в "Перечень ..." ВАК Минобрнауки России.

Автор глубоко признателен научному руководителю - кандидату технических наук, доценту кафедры ПЭМГ Н.С. Вишневской за помощь в выборе темы исследования, внимательное руководство и всестороннюю помощь при завершении работы над диссертацией.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору И.Ю. Быкову, чьи рекомендации способствовали более качественному изложению материалов, за неоценимую помощь и научные консультации.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти частей, заключения, библиографического списка из 108 наименований и 10 приложений. Основное содержание и общие выводы изложены на 190 страницах машинописного текста, содержащих 44 рисунка и 27 таблиц.

Содержание работы

Во введении обосновывается выбор и актуальность темы, место исследования в современной науке, освещаются цели и задачи работы, теоретическая и практическая значимость, научная новизна, методы исследования.

В первой главе диссертации проанализирован существующий уровень техники в области входного контроля обетонированных труб. В процессе работы использованы фундаментальные положения и результаты, полученные в работах известных исследователей, таких как Г. Б. Гершкович, В. В. Гулунов, А. К. Гурвич, О. О. Карапетян, А. В. Ковалев, В. Н. Козлов, М. Г. Коревицкая, Б. А. Круглов, В. Г. Липник, А. В. Мотовилов, В. Е. Поляков, К. Н. Попов, А. И. Потапов, Г. Я. Почтовик, Л. М Пухонто, Ю. М. Рапопорт, Г. Н. Руфферт, А. А. Самокрутов, А. М. Филонидов В. Г. Шевалдыкин, Д. С. Шрайбер, В. Г. Штен-гель, Л. М. Яблоник, Н. Н. Яковлев и др.

Для проведения входного контроля обетонированных труб применяется визуально-измерительный контроль. Оценка качества бетона сводится к простукиванию для обнаружения пустот и к определению массы конструкции в воздушной и водной средах. Но для выявления таких дефектов бетона как ненормативная прочность бетона, недостаточная упругость или неоднородность необходимо использовать приборные методы контроля. Данные о технической возможности приборов различного способа действия приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Техническая возможность методов контроля

Контролируемый параметр Метод НК Техническая возможность

Отклонение положения арматуры Магнитный метод +

Наличие трещин Ультразвуковой импульсный метод +

Наличие полостных дефектов Ультразвуковой импульсный метод +

Определение прочности бетона Ультразвуковой импульсный метод +

Ударный метод +

Отрыва со скалыванием +

Упругого отскока +

Резонансный +

Определение размера дефектов при одностороннем доступе Ультразвуковой импульсный метод не установлено

Дефектоскопия сквозь ленточное покрытие Ультразвуковой импульсный метод не установлено

По результатам анализа установлено:

- недостаточно исследовано влияние качественных характеристик бетона на параметры ультразвуковой (УЗ) волны при одностороннем доступе;

- не изучено влияние стальной арматуры и ленточного покрытия на результаты УЗ контроля бетона;

- глубина прозвучивания переносных УЗ дефектоскопов составляет 4-5 см и является недостаточной для контроля бетонного слоя толщиной до 15 см.

Классификация возможных дефектов бетонного слоя представлена на рисунке 1.

• Нарушения т производства ■ Нарушения правил транспортировки и погрузочно-рззгрузочных работ »Нарушения правил хранения

»Посторонние включения1

► Пустотные дефекты2 »Ненормативное

положение арматуры

> Изменение свойств бетона3

»Критические (особо опасные)

•Значительные (опасные) »Малозначительные (не

•Устранимые своими силами на строительной площадке »Устранимые специализированной организацией или на заводе изготовителе • Не устранимые (устранение не целесообразно)

• Не предусмотренный технологией наполнитель

• Размер наполнителя превышает установленный технологией размер

«Трещины глубже 1/3толщины бетонного слоя

• Размер пустот более 1/4 толщины бетонного слоя

• Прочность

• Плотность

• Упругость

• Водопоглэщение

• Морозостойкость

Рисунок 1 - Классификация вероятных дефектов бетонного слоя

Применяемые методики обследования элементов конструкции обетониро-ванной трубы основаны на действующей нормативно-технической документации. Контроль качества металла и сварных швов проводится согласно ГОСТ 14782-86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые; РД 03-606-03. Инструкция по визуальному и измерительному контролю; СТО Газпром 2-3.7-050-2006. Морской стандарт ЭМУ-ОБ-ПО. Подводные трубопроводные системы. Наружный диаметр концов труб, толщина стенки и другие геометрические параметры проверяются по методике СТО Газпром 2-2.1131-2007. Инструкция по применению стальных труб на объектах ОАО "Газпром" и сопоставляются с техническими условиями изготовителя. Толщина, диэлектрическая сплошность антикоррозионной изоляции, адгезия к стали, прочность при ударе и сопротивление вдавливанию определяются по ГОСТ Р 51 164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии. Для контроля толщины и расположения арматуры в бетоне строительных конструкций при обследованиях применяют магнитные, электромагнитные или вихревые методы по ГОСТ 22904-93. Конструкции железобетонные. Магнитный метод определения толщины защитного слоя бетона и расположения арматуры с выборочной контрольной проверкой получаемых результатов путем пробивки борозд.

Существуют разрушающие (метод стандартных образцов, использование выбуренных из конструкции кернов), частично разрушающие (отрыва со ска-

лыванием и скалывание ребра) и неразрушающие (пластической деформации, упругого отскока, ударного импульса, ультразвуковой) методы контроля бетона на прочность. УЗ-метод при использовании индивидуальной градуировочной зависимости является точным и информативным, позволяя определять прочность, упругость, плотность и целостность структуры бетона. При использовании УЗ-метода непосредственно измеряемой величиной является физический показатель (скорость УЗ-сигнала, время прохождения УЗ-сигнала), связанный с измеряемой величиной корреляционной зависимостью.

По данным Шанхайского университета значительное число аварий на морских трубопроводах связано с коррозией, структурными дефектами и качеством материала (в сумме 39%), что свидетельствует о необходимости ужесточения входного мониторинга прочностных свойств бетонных покрытий, (см. рис. 2)

8 £) т 11

Н 1 постановка судов на якорь 21% Ш 2 внешнее воздействие тралов и судоходства 30% а 3 коррозия 26% а 4 структурные дефекты 7% В 5 материал 6% а 6 стихийное бедствие 5% И 7 строительство 1% а 8 обслуживание 1% и 9 человеческий фактор 1% И 10 операционный сбой 1% ы 11 другие причины 1% Рисунок 2 - Ранжирование причин аварий стальных морских трубопроводов Аналогичные сведения содержаться в базе РАЛЬОС 2001, где сообщается о 13 происшествиях в Северном море, при этом покрытие повреждено на 3 трубопроводах. Одной из вероятных причин является недостаточная прочность бетонного слоя.

Между тем, методики по оценке прочности бетонного покрытия трубы в составе сложной конструкции до настоящего времени не существует. Стандартный методический комплекс не учитывает особенностей входного контроля обетонированных труб: отсутствуют образцы для испытаний при построении градуировочной зависимости; недостаточна толщина бетонного слоя для изъятия кернов; отсутствует двусторонний доступ к поверхности бетона; наличие защитного покрытия на поверхности бетона; потребность в оснащении передвижной лаборатории неразрушающего контроля простыми в обслуживании приборами небольшой массы и габаритов.

Исходя из перечисленных проблем, определены задачи настоящего исследования.

Во второй главе представлен комплекс методик для проведения исследования, включающий: государственные стандарты и инструкции в области входного контроля и контроля качества бетона, рекомендованные к применению Госстроем России, НИИ ЖБ и Службой передового опыта ОРГНРЭС.

Поскольку комплекс методик входного контроля обетонированных труб до настоящего времени не разработан, предложено обобщить методические рекомендации по построению индивидуальных градуировочных зависимостей и

оценки погрешности определения прочности ГОСТ 17624-87и рекомендации НИИЖБ МДС 62-2.01, метод определения размера пустотных дефектов при сквозном прозвучивании, предложенный Ю. М. Рапопортом, правила обработки результатов ультразвукового контроля прочности бетона по СНиП 52-012003 и ГОСТ Р 53231-2008.

Тогда методический порядок оценки структурных показателей бетонных покрытий представляется следующим:

— при выполнении условия

R^-R^^R^ÓO-RJioo, (1)

где к!ф - средняя прочность бетонов, испытанных методом отрыва со скалыванием при установлении градуировочной зависимости; Rmax, Rmin - максимальное и минимальное значения прочности по результатам ультразвукового замера, градуировочные зависимости принимают линейный вид

R¡= ao+ajx, (2)

где R¡ - прочность в i-м участке конструкции; а0 и а, - коэффициенты искомой зависимости; х - скорость (время) распространения ультразвука

а„=Йф-а,х, (3)

где Кф - средняя прочность бетонов, испытанных методом отрыва со скалыванием; х - средняя скорость (время) распространения ультразвука

a^I^-Rjx-x.VStx-x,)2, (4)

.»i i-i где р - число участков, испытанных при установлении градуировочной зависимости; х, - значения фактической прочности (по результатам испытаний) и скорости (времени) распространения ультразвука в i-м участке конструкции;

- проводят корректировку градуировочной зависимости отбраковкой единичных результатов испытаний, не удовлетворяющих условию

|Rta-Rl+|/S^2, (6)

где R¡„ - прочность бетона, определенная по градуировочной зависимости в i-м участке конструкции; S - остаточное среднее квадратическое отклонение, определенное по формуле

¿(R,-Rj/P-2

(7)

- определяется линейный коэффициент корреляции по формуле Пирсона

r = cov4../al4o,=¿(Rit-Rt)(x¡-x)/

(8)

При выполнении условия г > 0,7 и 5ДФ< 0,15, где RCp - средняя прочность бетона конструкции поданным УЗ замеров, установленная градуировочная зависимость не отвергается;

- определяют среднеквадратическую ошибку градуировочной зависимости

^(Я^Л'5, (9)

где 5мет - среднеквадратаческая ошибка метода отрыва со скалыванием, принимаемая 0,04 от средней прочности бетона участков использованных для построения зависимости при анкерном устройстве с глубиной заделки 48 мм, 0,05 средней прочности - глубиной 35 мм, 0,06 средней прочности - глубиной 30 мм, и 0,07 средней прочности - глубиной 20 мм;

- рассчитывают фактическую прочность бетона в конструкции

(10)

где п — количество участков УЗ замеров;

- рассчитывают коэффициент вариации прочности бетона в конструкций

Ут=1008т/Кт, (11)

где 8т - среднеквадратическое отклонение прочности

= (Б + 8, /(п -1)°5 )■ (1 /(0,7г + 0,3»; (12)

- находят требуемую прочность бетона

ЯТ=КТВ, (13)

где Кт - коэффициент, принимаемый по таблице 2 ГОСТ 53231-2008; В-нормируемое значение прочности бетона;

- определяется фактический класс бетона

Вф=Ят/Кт; (14)

- при сквозном прозвучивании определяют расстояние между краем дефекта и осевой линией искателей (рис. 3) по формуле Ю.М. Рапопорта

Ь=(2/2У[(^1)(^)]°'5, (15)

где Ъ - толщина изделия; ^ - увеличением времени распространения УЗ колебаний, вызванное наличием дефекта; п - коэффициент, характеризующий положение дефекта по толщине изделия

Рисунок 3 - Расчетная схема чувствительности временного теневого метода дефектоскопии дцЯ сквозного прозвучивания

- определяется глубина трещин в бетонной поверхности (рис.4)

И1р=а(01/1а)2-1)°,5/2. (16)

1 - база измерения на бетоне через трещину (положение датчиков И-П1), а - база измерения на «чистом» бетоне (положение датчиков И-П2); Ьф - глубина трещины, мм, при обязательном условии, а=1

Рисунок 4 - Схема установки датчиков для определения глубины трещины

В третьей главе освещены теоретические и экспериментальные исследования связанные с порядком, методами и средствами контроля технического состояния балластного покрытия стальных труб.

Согласно ГОСТ 17624-87 использование УЗ-приборов требует их тарировки по индивидуальной градуировочной зависимости, построенной с испытанием кернов, что в условиях строительной площадки практически не возможно. Рекомендации НИИЖБ МДС 62-2.01 позволяют для тарировки проводить испытания методом отрыва со скалыванием, но методика по сопоставлению ре-

г-

ЛЛ.

П2

—г ли.

'А < У.

ЛИ-

ГИ

зулътатов УЗ замеров и испытаний отрывом со скалыванием не отработана, нет рекомендаций по необходимому и достаточному количеству замеров и испытаний. На рисунке 5 и 6 показан характер разрушения бетонов при извлечении керна из балластного слоя и при вырыве анкерного устройства.

Рисунок 5 - Характер разрушения при Рисунок 6 - Характер разрушения при

отборе образцов для прессования с вырыве анкера для определения прочности

помощью технологии алмазного бурения методом отрыва со скалыванием

Исследования показали, что для реализации этого способа следует выполнить не менее 12 УЗ-замеров и не менее шести замеров способом отрыва со скалыванием в торцовой поверхности покрытия (см. рис.7 и 8) на одной трубе из партии. Автором оформлена заявка на изобретение "Способ ультразвукового контроля прочности бетона в конструкциях малых толщин"

Рисунок 7 - Схема размещения участков УЗ Рисунок 8 - Схема размещения прибора контроля на торцовой поверхности "ОНИКС-ОС" на торцовой поверхности

обетонированной трубы обетонированной трубы

Для построения экспериментальной градуировочной зависимости было сформировано 10 бетонных образцов 220x220x120, подвергнутых УЗ замерам и испытаниям методом отрыва со скалыванием. В ходе эксперимента использовались прибор "ОНИКС-ОС" и прибор "Пульсар 1.2", имеющий встроенные универсальные линейные зависимости в виде графика, построенного по уравнению линейного вида Я= а0+а,у. Коэффициенты аг и а0 вычислены по формулам ГОСТ 17624-87 (3, 4) при соблюдении условия (2). По результатам экспериментальных замеров и проведенных расчетов получена индивидуальная градуиро-вочная зависимость 11=1,9+0,005у.

По результатам опытного сопоставления чувствительности амплитудного, временного и эхо-метода, проведенного М.Ю. Рапопортом (1975 г.) сделан выбор оптимального метода ультразвуковой дефектоскопии.

50 45 40 35 30 25 го 15

ю 5

ь. IM / / /

/ t i / я Л 1/ /

/ N ' / >'\ / /

1«/А // // А У / t l/to.

0,0 Г.* ш в / /, У /

0,05 0.10 / // // /

0,20* V/, <// V —1

м У/ у у-

УА

1 Z, мм

Эхо-метод на низких УЗ-частотах выявил наличие реверберационных помех и неконтролируемой зоны. В интересующем диапазоне толщин (80-150 мм) чувствительность амплитудного метода оказалась значительно ниже, чем чувствительность временного (рис.9).

1 - чувствительность амплитудного теневого метода (бетон); 2 — чувствительность временного теневого метода

Рисунок 9 - Сопоставление чувствительности амплитудного и временного теневых методов дефектоскопии

и 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Возможность проводить контроль поверхностными датчиками в условиях одностороннего доступа определила выбор в пользу последнего.

Для исследование влияния пустотных включений и стальной арматуры в бетоне на изменение времени прохождения импульса созданы модели многослойной конструкции обетонированной трубы, максимально приближенные к своим аналогам по расположению и толщине слоев и вероятным дефектам. Модель №1 состояла послойно из стального листа, антикоррозионного слоя, слоя бетона, армированного арматурой (рис. 10). Модель №2 покрыта полимерной пленкой, аналогично конструкции балластного покрытия трубы производства ООО "Бредеро Шо Архангельск". Модель №3включает три отверстия диаметром 53 мм на различной глубине (см. рис. 11).

У

стоооно А

ctodoho а

Рисунок 11 — Схема бетонного блока модели №3

Рисунок 10 — Схема заложения имитаций "пор" и "арматуры" в опытной модели №1 Вначале исследовался механизм сквозного прозвучивания модели №1 по заранее размеченным точкам (рис. 12). График изменения времени прозвучивания в направлении А-В иллюстрирует эффект огибания "поры" ультразвуковым импульсом. При этом установлено, что в случае совпадения оси прутов и линии прозвучивания, скорость его увеличивается, а время прохождения импульса уменьшается (рис. 13).

¿П..... .....¿5.. .....;

_______¿л...

- --Ф

: сторона А

3

контроля

Рисунок 12 - Схема расположения участков контроля при проведении замеров способом сквозного прозвучивания

Рисунок 13 - График изменения времени прохождения УЗ сигнала по результатам сквозного прозвучивания по боковым поверхностям модели №1 по стороне А-В Далее проведены опыты по выявлению искусственных пустот при поверхностном прозвучивании. Замеры произведены прибором "Пульсар" по представленной схеме (см. рис. 14).

сторона А сторона Б

га

сторона В

сторона Г

срц_4

Рисунок 14 - Схема расположения участков контроля при проведении замеров способом поверхностного прозвучивания График изменения времени прохождения сигнала иллюстрирует эффект огибания "поры" зондирующим импульсом (см. рис. 15).

Участки контроля

N участка

Рисунок 15 - График изменения времени прохождения УЗ сигнала по результатам поверхностного прозвучивания по боковым поверхностям модели №1 Точки 6 и 13 соответствуют местам заложения "поры" диаметром 40 мм. Точки 8 и 16 соответствуют местам заложения "арматуры" (стальные пруты длиной 200 мм диаметром 3,5 мм). Зафиксированные отклонения превышают допустимую погрешность прибора, равную ±(0,0 И + 0,1), где I - измеренное

время, мкс. Т.о. по изменению времени прохождения импульса определяется место нахождения пустотных дефектов и наличие и направление арматуры.

Сопоставление и обработка результатов исследований Ю.М. Рапопорта и собранной экспериментальной базы позволили получить выражение для определения диаметра пустотного включения по результатам поверхностного про-звучивания при одностороннем доступе к объекту:

ётт = 2(^-1)0'5, (17)

Например в точке 13 размер полости составит:

= 36,15/34,06 =1,06; с1т;п=г(^2-1 )°"5= 120( 1,062-1 )0'5 = 42,2 мм.

Получен размер "поры" равный 42,2 мм, что отличается от фактического на 5,5 %.

Бетонная поверхность труб производства ООО "Бредеро Шо Архангельск" скрыта под слоем полимерной липкой ленты. Для эксперимента использовалась модель №2, замеры проводились по схеме на рис. 16: по открытой поверхности бетона (условие 1), по полимерному покрытию толщиной 1 мм (условие 2) и 2 мм (условие 3). Результаты исследования характеризуются графиком, представленным на рисунке 17.

1 время ^ мкс, условие 1 время ^ мкс, условие 2 время Ь, мкс, условие 3

9 10 11 N точки Рисунок 17 - График изменения времени прохождения сигнала в контролируемых точках По графику видно, что на линиях замеров 2 и 10, где размещены искусственные "поры", время прохождения сигнала увеличилось. При этом характер линий графика в условии 1 и условиях 2 и 3 сохраняется, а значит доказана возможность определения местоположения и размера пустотных включений через полимерную пленку толщиной до 2 мм. Результат расчета представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Результат расчета величины пустот для условий 1-3

Рисунок 16-Схема установки датчиков

Ср.знач Откл., Д1:, мкс Отн.изм., 0., д.е. <1шт мм Откл. от факт., %

1-11 2 10 2 10 2 10 2 10

1 30,4 1,8 1,9 1,0591 1,0611 41,8608 42,5752 4,65 6,44

2 27,8 1,6 1,7 1,0582 1,0596 41,5289 42,0540 3,82 5,13

3 27,6 1,6 1,4 1,0564 1,0503 40,8835 38,5282 2,21 3,48

Сопоставив расчетные значения с1П1Ш и фактический размер поры, равный 40 мм, отметим, что отклонения находятся в пределах 6,5-К2,2%, что вполне удовлетворительно. При этом погрешность определения размера подповерхностного дефекта сквозь слой полимерной пленки снижается до 2 раз.

Для определения зависимости глубины выявляемое™ дефекта Н от расстояния между точками акустического контакта датчиков (базы измерения Ь)

были проведены экспериментальные замеры на бетоном блоке с высверленными на разной глубине отверстиями (рис. 11). УЗ замеры производились дефектоскопом "Пульсар" методом поверхностного прозвучивания с использованием датчиков с точечным акустическим контактом. Точки контроля, где величина составляла более, чем 1,05 выявляли границы пустотного включения и определяли чувствительность прибора (рис.18). Затем сопоставлялись глубина обнаружения дефекта Н и база измерения на поверхности бетонного слоя Ь, при котором это изменение было зафиксировано (рис. 19). По результатам замеров установлена зависимость глубины выявляемое™ дефекта Н от расстояния между точками акустического контакта датчиков на поверхности бетонного слоя Ь: Ь = 102,9Н-9,6. Установленная зависимость позволяет размещать иска-

Рисунок 18 - Схема проведения Рисунок 19 - График чувствительности

замеров для определения временного метода

чувствительности прибора

Для минимизации необследованных участков предлагается располагать участки контроля в шахматном порядке (шаг 4x24 см) так, чтобы они перекрывали друг друга (рис. 20). Совершенствование конструкции устройства для удержания конусных преобразователей (рис. 21) и предложенная схема разметки позволяют обследовать участок на всю глубину и при одновременном использовании 4 искателей сократить время проведения контроля в 3 раза.

ряд 2

ряд 3

Рисунок 20 - Расположение Рисунок 21 — Схема установки устройства для

участков контроля бетонной поверхностного прозвучивания на бетонную

поверхности поверхность трубы

Методика входного контроля обетонированных труб включает: требования к процессу и методы входного контроля, организационное обеспечение и требования к безопасности, рекомендации по организации работ и контролю каче-

ства обетонированной труб, подбор оборудования для входного контроля, и программу обследования сложной конструкции обетонированной трубы.

Обследование бетонного слоя проводится поэтапно в соответствии с алгоритмом, представленным на рисунке 22.

Первым этапом является 10% визуальный контроль, остальные трубы подвергаются наружному осмотру. При обнаружении дефектов они фиксируются и назначаются к более детальному изучению. Карбонизацию бетона выявляют визуально, простукиванием, либо смачиванием раствором фенолфталеина.

На втором этапе на 10 % труб контролируются геометрические параметры и масса конструкции в воде и на воздухе, для определения ее фактической балластирующей способности и объемов пустот в бетоне.

На третьем этапе определяют прочность бетона на 10 % труб. УЗ замеры прочности бетона рекомендуется производить на торцевых участках бетонного слоя. Измерения косвенного показателя (времени или скорости распространения УЗ волны), необходимо проводить на расстоянии не ближе 50 мм от арматурного стержня в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Градуиро-вочную зависимость следует строить, принимая за единичное значение среднее значение косвенных показателей в участке и фактическую прочность бетона участка, определенную методом отрыва со скалыванием по формулам (1-8) на основе не менее чем 6 испытаний и не менее, чем 12 УЗ замеров.

Следующим этапом УЗ дефектоскопом проверяется прочность материала, его плотность и модуль упругости, которые сопоставляются с пределами допустимых значений по техническим условиями завода изготовителя.

Последним этапом проводится дефектоскопия приповерхностных слоев на участках, назначенных к детальному обследованию по результатам ВК и замеров прочности. Место нахождения дефектов и их размер определяется по аномальному изменению времени прохождения УЗ волны. Если дефект имеет вытянутую форму при небольшой ширине, его проекция может быть определена путем перемещения искателя по линии наибольшего относительного отклонения времени распространения колебаний. Размеры подповерхностных полостных дефектов, в том числе и сквозь слой полимерной ленты, следует определять расчетным путем по предложенной автором формуле (17). Глубина трещин при их наличии определяется по методике, предложенной НПП "Интерприбор" или РД 153-34.1-21.326-2001 по изменению времени распространения ультразвука методом продольного профилирования при условии, что плоскость трещинообразования перпендикулярна линии прозвучивания (16).

Обработка результатов контроля проводится согласно действующим нормативным документам с учетом предложений автора по совершенствованию методов контроля по формулам (9-17).

Правила выбраковки балластного слоя включают следующие основные положения:

— минимальная толщина защитного слоя бетона над арматурой должна быть не менее 20 мм. Арматурные стержни должны отвечать требованиям ГОСТ 5781 при их минимальном диаметре 6 мм. Расстояние между кольцами круговой арматуры должно быть не более 120 мм;

Рисунок 22 - Алгоритм обследования бетонного слоя обетонированной трубы

- значения действительных отклонений от линейного размера по длине ±10,0 мм, от прямолинейности на длине 1000 мм ±2,5 мм и на всей длине трубы ±5,0 мм, от перпендикулярности торцевых поверхностей 5,0 мм, если иное не предписано техническими условиями завода изготовителя;

— расчетная плотность и толщина балластного покрытия должна быть в пределах 2200=3400 кг/м3 и 25=150 мм. Прочность на сжатие на 28 день после производства должна быть не менее 40 МПа;

-максимальный размер трещин не должен превышать 1/3 толщины бетонного слоя, а пустот 1/4 толщины бетонного слоя. Технические требования к трубам для подводного использования нормируют так же водопоглощение < 8 % и ударную прочность покрытия > 5 кДж.

В четвертой главе приведен пример построения градуировочной зависимости по результатам замеров на модели конструкции обетонированной трубы по формулам (1-4).

Результаты замеров представлены в таблицах 3-5.

Измеряемый параметр Результаты замеров прочности УЗ-методом, МПа

№1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 №10 №11 №12

Скорость, V м/с 3320 3966 3100 3329 3457 3655 3856 3339 3587 3176 2810 2678

Прочность, Я МПа 19,9 23,7 18,6 19,9 20,7 21,9 23,1 20,0 21,5 19,0 16,7 15,9

Определение предельных значений К.Р - - - - Я», - - ЯтМ Ктп

Таблица 4 - Результаты замера прочности методом отрыва со скалыванием, МПа

Контролируемый участок Результаты замера прочности методом отрыва со скалыванием, МПа

№ 1 №2 №7 №8 №11 №12

Фактическая прочность, Я ф МПа 10,7 19,2 18,9 16,2 12,8 14,6

Таблица 5 - Результаты расчета прочности по градуировочной зависимости, МПа

Контролируемый участок Результаты расчета прочности по градуировочной зависимости, МПа

№ 1 №2 №7 №8 №11 №12

Фактическая прочность, Ян МПа 15,3 18,1 17,6 15,4 13,0 12,4

Расчет производится в следующем порядке: К = (19,9+23,7+...+ 15,9)/12 = 20,1МПа, =(10,7 + 19,2 + ... + 14,б)/12=15,4,

V = (3320 + 3966 +... + 2678)/12 = 3356, _ (15,4- 10,7Х3356-3320)+ (15,4- 19,2Х3356-3966) +... + (15,4 -14,6)(3356- 2678) ' (3356 - 3320)2 +(3356-3966)2 +... + (3356-2678)2

а, = 0,0044,

а0 =15,4 - 0,0044-3356 = 0,6336, Я,=0,6636+у0,0044. Остаточное среднее квадратическое отклонение (7)

8 = (((10,7-15,3)2 +(19,2-18,1)2 +... + (14,6-12,4)2)/(6-2))°'5 =2,7 МПа. Корректировку установленной градуировочной зависимости и проверку граничных условий проводим по формуле (6).

[15,3 — 10,7| / 2,7 = 1,7 < 2, |15,4 -16,2] / 2,7 = 0,3 < 2,

|18,1 -19,2| / 2,7 = 0,4 < 2, |13,0 -12,8| / 2,7 = 0,1 < 2,

|17,6 -18,9| / 2,7 = 0,5 < 2, |12,4 -14,б| / 2,7 = 0,9 < 2

Условие ГОСТ 17624-87 выполняется для всех участков.

БДер = 2,7/20,1; 0,13< 0,15. Условие МДС 62-2.01 выполняется.

Линейный коэффициент корреляции (коэффициент Пирсона) (8)

__(10,7-15,4X3320 - 3356)+(19,2-15,4Х39бб -3356)+... + (14,6-15,4X2678 -3356)

Геф" ~ 7-15,4)1 +(19,2-15,4)' +... + (14,6-15,4)')• ((3320 - 3356 )2 +(3966-3356)' +... + (2678-3356)2]

гкфл.=0,92, Г^„>0,7.

Условие МДС 62-2.01 выполняется. Среднеквадратическая ошибка Бт (9)

=15,4 0,04 = 0,62, 8,=л/2,72+0,622 =2,77. Среднеквадратическое отклонение прочности 8т(12)

Б. = (2,7 + 2,77 /(12 -1)° 5> (1 /(0,7 • 0,92 + 0,3)) = 3,0.

Коэффициент вариации (11)

Ут=100-3-6/(15,3+18,1+17,6+15,4+13,0+12,4) =19,6. Т.к. коэффициент вариации находится в интервале от 10% до 20% то неоднородность информации относится к средней (приемлемой). Фактический класс бетона опытной модели (14) Вф=15,3/1,43=10,7.

График полученной зависимости приведен на рисунке 23.

2000 -р-)----------Г— ~

10 и 14 16 18

♦ Иф фактическая прочность, МПа, полученная методом отрыва со скалыванием ♦Ян прочность, МНа, полученная по градунровочной зависимости

Рисунок 23 - График полученной традуировочной зависимости Предлагаемая методика дает возможность получить сведения о прочности бетонного слоя конструкции в условиях строительной площадки, не прибегая к изъятию кернов с минимальным количеством проведенных замеров. Соблюдение всех граничных условий гарантирует получение достоверного результата

определения прочности.

Результаты диссертационного исследования внедрены в практику экспертных организаций г. Ухты для обследования строительных ответственных конструкций из бетона и железобетона на опасных производственных объектах, что позволило: сократить затраты на проведение натурных испытаний, минимизировать разрушения конструкций.

Основы комплексной методики входного контроля обетонированных труб рекомендуются к использованию службам, занимающимся контролем качества

труб и оборудования, поставляемого на строительство магистральных трубопроводов. Предлагаемый способ применим для контроля прочности бетонных оболочек иных ответственных конструкций, для которых так же нежелательно разрушение при отборе образцов по ГОСТ 28570-90. Кроме того, результаты исследования могут быть использованы для дефектоскопии бетонных оболочек различных строительных конструкций в области промышленного и гражданского строительства.

Выводы

1. Актуальность совершенствования методов входного контроля обетони-рованных труб обоснована увеличением доли морского строительства, вероятностью производственных дефектов, получением повреждений балластного слоя при транспортировке и хранении и невозможностью использовать существующие методы обследования бетона.

2. Комплекс методик для проведения исследования включает: государственные стандарты и инструкции в области входного контроля и контроля качества бетона, правила обследования строительных конструкций, методические указания по обследованию строительных конструкций, методические рекомендации по контролю прочности бетона монолитных конструкций УЗ-методом способом.

3. Теоретические и экспериментальные исследования по совершенствованию методов входного контроля обетонированных труб привели к следующим результатам.

Для построения градуировочной зависимости при настройке УЗ дефектоскопа для контроля бетона рекомендовано проведение 6 испытаний способом отрыва со скалыванием и 12 УЗ замеров прочности.

Получена зависимость (!„;„ = 2(^2-1)°'5 минимального размера полосных дефектов от относительного изменения времени распространения колебаний ^, вызываемого дефектом и расстояния между искателями Ъ, разработан алгоритм вычисления размера подповерхностных пустот в бетонном слое в условиях одностороннего доступа и алгоритм обследования бетонного слоя.

Установлено, что слой полимерной ленты толщиной до 2 мм не препятствует прохождению УЗ волн и улучшает акустический контакт между искателем и бетоном, сокращая время прохождения сигнала, при этом погрешность определения размера подповерхностного дефекта снижается в 2 раза.

Установлена зависимость расстояния Ь между точками акустического контакта датчиков на поверхности бетонного слоя от глубины Н выявляемое™ дефекта, описываемая уравнением Ь=102,9Н-9,6, при достоверности аппроксимации Я = 0,9994. Установленная зависимость позволяет так разместить искатели на удерживающем устройстве, чтобы контролировать бетонный слой на всю его глубину и при одновременно использовании 4 искателей сократить время проведения контроля в 3 раза.

4. Предложенная методика входного контроля обетонированной трубы позволяет произвести отбраковку несоответствующих установленным требованиям труб и повысить надежность магистрального трубопровода.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

1. Попова А.И., Вишневская Н.С. Российские технологии нанесения теплоизолирующего и утяжеляющего покрытия на трубы для подводных переходов : Сборник научных трудов [Текст] : Материалы научно-технической конференции (13-15 апреля 2010 г.): в 3 ч.; ч. I/ под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта : УГТУ, 2010. - С. 267-272;

2. Попова А.И., Вишневская Н.С. Российские технологии изготовления труб для подводных переходов : Рассохинские чтения [Текст] : Материалы межрегионального семинара (3-4 февраля 2011 г.) / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2011. - С. 325-329;

3. Попова А.И., Вишневская Н.С. Французская технология обетонирования труб (компания EUPEC в Мукране на острове Рюген) : Рассохинские чтения [Текст] : Материалы межрегионального семинара (3-4 февраля 2011 г.) / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2011. - С. 329-332;

4. Попова А.И., Вишневская Н.С. Повышение точности при продлении срока эксплуатации нефтегазового оборудования с помощью применения нелинейных методов расчета : Сборник тезисов [Текст] : Материалы 8-го Международного Молодежного Нефтегазового Форума (16-17 апреля 2011 г.). - Алматы: КазНТУ 2011.-С. 154-158;

5. Попова А.И., Вишневская Н.С. Классификация методов НК для обследования бетонного покрытия труб : Сборник научных трудов [Текст] : Материалы конференции Преподавателей и сотрудников (12-13 апреля 2011 г.) / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта : УГТУ, 2011. - С. 106-111;

6. Попова А.И., Вишневская Н.С. Ультразвуковой метод для контроля прочности бетонного покрытия : Сборник научных трудов [Текст] : Материалы конференции Преподавателей и сотрудников (12-13 апреля 2011 г.) / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта : УГТУ, 2011. - С. 111-116;

7. Попова А.И., Вишневская Н.С. Влияние полимерного слоя на поверхности бетона на параметры распространения ультразвуковых волн : Сборник научных трудов [Текст] : Материалы научно-технической конференции (17-20 апреля 2012 г.) : в 3 ч.; ч. I/ под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта : УГТУ, 2012. - С. 201204;

8. Попова А.И., Вишневская Н.С. Влияние пустот и арматуры в бетоне на параметры распространения ультразвуковых волн : Сборник научных трудов [Текст] : Материалы научно-технической конференции (17-20 апреля 2012 г.) : в 3 ч.; ч. I я/ под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта : УГТУ, 2012. - С. 204-209;

9. Попова А.И., Вишневская Н.С. Проблемы применения классических методик для контроля обетонированных труб : Республика Коми: вчера, сегодня, завтра. Перспективы развития в XXI веке: Международная научно-практическая конференция (27-28 октября 2011 года.): Материалы конференции / Под общей редакцией М.Е. Рожкина. - М.: Издательство "Спутник+", 2012. -229 с. - С. 202-208;

10. Попова А.И. Влияние полимерного покрытия и включений в бетон на изменение параметров распространения ультразвуковых волн // Электронный

научный журнал "Нефтегазовое дело". - 2012. №2. - С. 336-350. -URL: http://www.ogbus.ru/authors/Popova/Popova_l.pdf

11. Попова А.И. Практическая реализация ультразвукового метода определения прочности бетона в сочетании с методом отрыва со скалыванием для входного контроля обетонированной трубы // "Трубопроводный транспорт: теория и практика". - 2012. №2 (30). - С. 18-21;

12. Попова А.И. Предложения по совершенствованию входного контроля труб с бетонным покрытием // "Инженер-нефтяник". - 2012. №2. - С. 51-54;

13. Попова А.И., Вишневская Н.С. Контроль прочности бетона ультразвуковым методом в рамках входного контроля обетонированных труб в условиях строительной площадки // "Газовая промышленность". - 2012, №11. - С. 91-93;

14. Попова А.И. Применение ультразвукового метода определения прочности бетона для входного контроля обетонированной трубы // "Газовая промышленность". - 2012. №8 (август). - С. 81-84;

15. Попова А.И. Построение градуировочной зависимости для контроля прочности бетонных оболочек // "Трубопроводный транспорт: теория и практика". -2012. №6 (34).-С. 8-13;

16. Попова А.И., Вишневская Н.С. Определение размера пустотных включений в бетон сквозь полимерное ленточное покрытие : Трубопроводный транспорт - 2012: материалы VIII Международной учебно-научно-практической конференции / Редкол.: A.M. Шаммазов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ 2012 - 483 с.-С. 114-116;

17. Попова А.И., Вишневская Н.С. Определение глубины трещины по изменению времени прохождения ультразвукового сигнала : Трубопроводный транспорт - 2012: материалы VIII Международной учебно-научно-практической конференции / Редкол.: A.M. Шаммазов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ 2012 - 483 с.-С. 116-118;

18. Попова А.И., Вишневская Н.С. Определение качества бетонного слоя обетонированной трубы : Межрегиональная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы разработки нефтяных месторождений" (24-25 октября 2012 г.). - Филиал ООО "ЛУКОЙЛ-Инжиниринг" "ПечорНИПИнефть" в г Ух-та.-110 с.-С.109-110;

19. Попова А.И., Вишневская Н.С. Увеличение глубины прозвучивания ультразвуковых дефектоскопов // "Инженер-нефтяник". - 2013. №2 - С. 57-59;

20. Попова А.И. Практическое применение ультразвукового метода определения прочности бетона в сочетании с методом отрыва со скалыванием для входного контроля обетонированной трубы : Итоги диссертационных исследований. Том 2. - Материалы IV Всероссийского конкурса молодых ученых. -М.: РАН, 2012. - 138 с. - С. 78-85;

21. Попова А.И. Определение качества бетонного слоя обетонированной трубы // "Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья". -2013. вып.№1,-С. 28-34;

22. Попова А.И., Вишневская Н.С. Контроль качества бетонного слоя ударно-импульсным методом для осуществления входного контроля обетонированных труб // "Контроль. Диагностика". - 2013. №6 . - С. 46-52.

Отпечатано в типографии Ухтинского государственного технического университета Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13. Подписано в печать 26.09.2013 г. Усл. п. л.-1,4. Тираж 150 экз. Заявка № 4081.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Попова, Алёна Ивановна, Ухта

Ухтинский государственный технический университет

На правах рукописи

п/. Г>Г\4 7А7Х7П

и1£.и I и

Попова Алёна Ивановна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ ОБЕТОНИРОВАННЫХ ТРУБ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

25.00Л9 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент Вишневская Н.С.

г. Ухта, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................5

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ ОБЕТОНИРОВАННЫХ ТРУБ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ.......................................................................................13

1Л. Существующие методы входного контроля..........................................13

1Л Л. Объект исследования и его технические характеристики...................13

1 Л.2. Предмет исследования - входной контроль обетонированных труб ..40

1.1.3. Методы контроля, применяющиеся для входного контроля обетонированных труб...............................................................................................47

1.2. Применяемые методики обследования элементов конструкции обетонированной трубы.............................................................................................51

1.3. Существующие теоретические и экспериментальные подходы к контролю бетона.......................................................................................................54

1.3.1. Методы неразрушающего контроля применяемые для обследования бетона строительных конструкций....................................................54

1.3.2. Контроль бетона в составе сложной конструкции...............................57

1.4. Примеры промышленного применения существующих методик........61

1.5. Несовершенство существующих методик для контроля качества бетона обетонированных труб...................................................................................63

1.6. Цели и задачи исследования...................................................................65

2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................66

2.1. Формирование методического комплекса.............................................66

2.1.1. Методики определения прочности бетона...........................................66

2.1.2. Методические рекомендации к тарировке ультразвуковых дефектоскопов для контроля прочности бетона.......................................................71

2.1.3. Метод определения размера пустотных дефектов...............................73

2.1.4. Правила обработки результатов ультразвукового контроля прочности бетона........................................................................................................76

2.2. Определение критериев качества бетонного слоя обетонированной трубы...........................................................................................................................79

2.3. Основные положения, принятые в основу диссертационного исследования...............................................................................................................82

2.4. Выводы.....................................................................................................84

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 87

3.1. Основные направления исследований....................................................87

3.2. Выбор метода ультразвукового контроля..............................................93

3.3. Усовершенствование методики построения градуировочной зависимости..............................................................................................................122

3.4. Исследование влияния пустотных включений и стальной арматуры

в бетоне на изменение времени прохождения импульса.......................................136

3.4.1. Создание опытных моделей................................................................136

3.4.2. Исследование бетона способом сквозного ультразвукового прозвучивания..........................................................................................................140

3.4.3. Исследование бетона способом поверхностного ультразвукового прозвучивания..........................................................................................................146

3.4.4. Исследование бетона способом ультразвукового зондирования сквозь слой полимерной ленты................................................................................152

3.5. Исследование зависимости глубины прозвучивания от расстояния между искателями при поверхностном прозвучивании.........................................160

3.6. Усовершенствованная методика входного контроля обетонированной трубы...........................................................................................165

3.6.1. Организация работ по контролю качества обетонированной трубы 165

3.6.2. Подбор оборудования для проведения входного контроля бетонного покрытия трубы......................................................................................168

3.6.3. Программа обследования сложной конструкции обетонированной трубы.........................................................................................................................173

3.7. Выводы...................................................................................................187

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДИКИ..191

4.1. Пример построения градуировочной зависимости и оценки погрешности определения прочности.....................................................................191

4.2. Внедрение в практику экспертных организаций.................................198

4.3. Внедрение результатов исследования в науку и в учебный процесс. 199

4.4. Рекомендации к промышленному использованию..............................200

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................202

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ТЕРМИНОВ............................................................209

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................211

Приложение А (обязательное) Методика построения градуировочной

зависимости путем параллельных испытаний бетона способом отрыва со

скалыванием и ультразвуковых замеров прочности..............................................224

Приложение Б (справочное) Рекомендации по выбору требований к бетону в зависимости от классов сред эксплуатации (Европейский стандарт

EN 206-1.2000 таблица F6).......................................................................................231

Приложение В (справочное) Реестр испытаний труб с бетонным

покрытием проведенных МТЗК..............................................................................232

Приложение Г (справочное) Акт об использовании результатов

кандидатской диссертационной работы ООО "Эксперт Коми"............................239

Приложение Д (справочное) Акт об использовании результатов

кандидатской диссертационной работы ООО "Точность".....................................240

Приложение Е (справочное) Акт об использовании результатов

кандидатской диссертационной работы ООО "Ростехконтроль"..........................241

Приложение Ж (справочное) Акт внедрения в учебный процесс...............242

Приложение К (справочное) Акт внедрения в научную деятельность.......243

Приложение Л (справочное) Акт внедрения в производство результатов

кандидатской диссертационной работы..................................................................244

Приложение М (справочное) Заявка в ФИПС на Способ ультразвукового контроля прочности бетона в конструкциях малых толщин.................................245

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Доля обетонированных труб использующихся в трубопроводном строительстве неуклонно возрастает. Это связано с увеличением объемов строительства подводных трубопроводов, сооружаемых по дну морей и в речных акваториях.

Балластное покрытие трубы изначально может иметь дефекты, снижающие его работоспособность, или получить их в процессе доставки и хранения.

Между тем, существующие методы обследования бетона не могут быть использованы по прямому назначению для оценки качества балластного слоя обето-нированной трубы из-за отсутствия двустороннего доступа для проведения измерений и требуют адаптации в условиях строительной площадки с учетом конструкции бетонного покрытия.

Поэтому совершенствование методов оценки технического состояния обетонированных труб при строительстве нефтегазопроводов является неотложной квалиметрической задачей. Особенно это актуально при организации входного контроля поступающих на трассу изделий.

Цель работы

Целью диссертационной работы является совершенствование методов входного контроля обетонированных труб для строительства нефтегазопроводов.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели в работе требуется решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов входного контроля обетонированных труб для выявления возможных дефектов, снижающих работоспособность конструкции;

- сформировать методический комплекс для проведения исследования;

- выполнить теоретические и экспериментальные исследования по совершенствованию методов входного контроля обетонированных труб;

- усовершенствовать методику входного контроля обетонированной трубы;

- оценить результаты промышленного применения методики.

Научная новизна

1. Установлено, что для построения градуировочной зависимости при настройке ультразвукового дефектоскопа граничные условия Пирсона г > 0,7 и отношение среднеквадратического отклонения к средней прочности 8/Яср< 0,15 соблюдаются при числе испытаний методом отрыва со скалыванием не менее 6 и числе ультразвуковых замеров не менее 12;

2. Установлена зависимость расстояния Ь между точками акустического контакта датчиков на поверхности бетонного слоя от глубины Н выявляемости дефекта, имеющая линейный характер и описываемая уравнением Ь = 102,9Н-9,6;

3. Найдена зависимость минимального размера полостных дефектов с!т1п от относительного изменения времени распространения колебаний £ вызываемых дефектом, и расстояния между искателями Ъ. При использовании искателей

с сухим точечным контактом зависимость имеет вид с1т1П = Ъ^^ — 1;

4. Установлено, что при проведении замеров сквозь полимерный слой по сравнению с результатом, полученным при поверхностном прозвучивании открытой поверхности бетона погрешность определения размера подповерхностного дефекта снижается до 2 раз.

Практическая значимость

1. Разработана методика построения градуировочной зависимости, позволяющая в условиях строительной площадки осуществить настройку УЗ приборов для получения достоверного результата о качестве бетонного слоя обетони-рованной трубы, не прибегая к кернированию;

2. Совершенствование конструкции устройства для удержания конусных преобразователей и предложенная схема предварительной разметки бетонной поверхности, позволяющие обследовать участок на всю глубину и при одновременном использовании 4 искателей сократить время проведения контроля в 3 раза;

3. Предложенный способ ультразвукового зондирования бетона сквозь слой полимерной ленты позволяет обнаружить полостные включения и дефектные участки в бетонном слое;

4. Разработан алгоритм вычисления размера подповерхностных пустот в бетонном слое в условиях одностороннего доступа;

5. Применение предлагаемых математических зависимостей для определения размеров единичных включений и дефектных зон способом поверхностного прозвучивания при одностороннем доступе к объекту позволяет использовать их для определения размера обнаруженных полостных дефектов (участков с нарушенной структурой, пустот, трещин) и выработки рекомендаций по их устранению;

6. Разработаны методы контроля качества бетонного слоя для входного контроля обетонированных труб, позволяющие произвести их отбраковку при несоответствии установленным требованиям к бетону труб и повысить тем самым надежность строящегося магистрального трубопровода;

7. Методика построения градуировочной зависимости для контроля прочности бетона ультразвуковым дефектоскопом в сочетании с методом отрыва со скалыванием и другие результаты исследований внедрены в практику работы предприятий ООО "Точность", ООО "Эксперт Коми", ООО "Ростехконтроль";

8. Разработана "Методика входного контроля обетонированной трубы" и внедрена на предприятии "Проектный институт нефти и газа Ухтинского государственного технического университета". Результаты исследования использованы при разработке учебного пособия.

Методология и методы исследования

Комплекс методик включает нормативные документы (стандарты, инструкции, правила, методические указания и рекомендации) в области контроля качества строительных конструкций и, в частности, бетона методами интроскопии и неразрушающего контроля. Методология исследования базируется на общенаучных методах анализа и обобщения фактического материала.

На теоретическом уровне исследования использовались такие общенаучные методы, как формализация процессов и явлений (использование формул, графиков, специальных символов), принятие гипотезы (выстраивание научно обоснованных систем умозаключений, посредством которых на основе ряда факторов делались выводы о существовании связей или причин явлений), создание теории (систематизация результатов эмпирического исследования, создание упорядоченной системы знаний, подчиненных общей идее).

Основным методами эмпирического уровня исследования явились наблюдение, измерение и эксперимент. Для изучения процессов и явлений использовался модельный эксперимент в лабораторных условиях и натурный эксперимент на действительной конструкции обетонированной трубы. На теоретическом и эмпирическом уровнях исследования использовались анализ, синтез, индукция, дедукция, аналогия, моделирование и абстрагирование.

Положения, выносимые на защиту

Разработанная методика построения градуировочной зависимости, предназначенная для настройки ультразвукового дефектоскопа при контроле качества бетонного слоя в сложной конструкции обетонированной трубы путем проведения параллельных испытаний способом отрыва со скалыванием и УЗ замеров (заявка №2013121163 от 07.05.2013 г).

Установленная зависимость расстояния между точками акустического контакта датчиков от глубины выявления дефекта, определяющая необходимое расстояние между искателями на контролируемой поверхности для контроля бетонного слоя на всю его глубину.

Разработанный метод ультразвукового контроля, позволяющий в условии одностороннего доступа выявить пустоты в бетонном слое и определить размеры этих пустот.

Предложенный способ ультразвукового контроля, позволяющий обнаружить единичные дефекты (посторонние включения) и дефектные зоны (зоны с нарушенной структурой, ненормативной плотностью и упругостью) в бетонном слое способом ультразвукового зондирования сквозь слой полимерной ленты.

Усовершенствованная методика входного контроля, включающая контроль бетонного слоя обетонированных труб.

Достоверность полученных результатов обеспечивается повторяемостью результатов, использованием для исследования образцов по своему строению и характеру дефектов, максимально приближенных к фактическому строению обе-тонированной трубы, репрезентативным количеством выполненных измерений, корректным применением современных теоретических и экспериментальных методов исследований, а также использованием поверенного исследовательского оборудования, приборов и средств измерений и привлечением аттестованных специалистов.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является обетонированная труба отличается сложной (многослойной) конструкцией с односторонним доступом к обследуемой поверхности, что затрудняет процесс организации входного контроля. Конструкция представляет собой послойно: стальную трубу, ее антикоррозионное покрытие, балластный бетонный слой, усиленный стальной арматурой, и защитную полимерную (или металлополимерную) оболочку. Бетонный слой может иметь толщину 80-150 мм в зависимости от необходимой утяжеляющей способности и покрывает около 95 % поверхности трубы.

Предметом исследования является процесс осуществления входного контроля обетонированной трубы и составляет круг вопросов и проблем, связанных с порядком, методами и средствами контроля ее технического состояния.

Личный вклад заключается в постановке задачи, проведении теоретических и экспериментальных исследований, дальнейшем анализе полученных результатов, их апробации и подготовке публикаций по выполненной работе, разработке представленных методик, оформлении патентных заявок.

Апробация результатов исследования

Основные результаты диссертационного исследования были представлены: на научно-технической конференции (13-15 апреля 2010 г., УГТУ, г.Ухта); на межрегиональном семинаре Рассохинские чтения (3-4 февраля 2011 г., УГТУ, г.

Ухта); на 8-м Международном Молодежном Нефтегазовом Форуме, (16-17 апреля 2011 г., КазНТУ, г. Алматы); на научно-технической конференции преподавателей и сотрудников (12-15 апреля 2011 г., УГТУ, г. Ухта); на научно-технической конференции (17-20 апреля 2012 г., УГТУ, г.Ухта); на 4-ой научно-практическая конференции "Республика Коми: вчера, сегодня, завтра. Перспективы развития в XXI века" (26-27 октября 2011 г., УГТУ, г. Ухта); на VIII Международной учебно-научно-практической конференции "Трубопроводный транспорт - 2012" (8-9 ноября 2012 г., УГНТУ, г. Уфа); на межрегиональной научно-технической конференции "Актуальные проблемы разработки нефтяных месторождений" (24-25 октября 2012 г., ООО "ЛУКОЙЛ-Инжиниринг" "ПечорНИПИнефть", г. Ухта); на Всероссийской конференции "Развитие инженерного образования в России" в "Выставке молодежных научно-исследовательских проектов. Санкт-Петербургский образовательный форум - 2012"(с 28 марта по 1 апреля 2012 г., г. Санкт-Петербург); на IV Всероссийском конкурсе молодых ученых (с16-18 октября 2012