Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Канайкин Виктор Архипович
Развитие теории и разработка высокоэффективных методов, средств и технологии внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов для обеспечения их безаварийной эксплуатации
Специальность 05.02.11 Методы контроля и диагностики в машиностроении Диссертация в форме научного доклада на соискание учёной степени доктора технических наук
Москва, 2010
Работа выполнена в ЗАО НПО Спецнефтегаз
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Шкатов П. Н.
доктор технических наук, профессор Покровский А. Д.
доктор технических наук, профессор Бигус Г. А.
Ведущая организация:
Институт физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург)
Защита состоится л___ ________ 2010 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.01 при Московском Государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу: 107005, г. Москва, 2-я Бауманская, д. 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана Диссертация в форме доклада разослана л___ ______ 2010 г.
Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А.В. Коновалов Оглавление 1.
Общая характеристика работы
1.1.
Актуальность темы....................... 1.2. Состояние проблемы...................... 1.3. Цель диссертационной работы................ 1.4. Методы исследования..................... 1.5. Научная новизна........................ 1.6. Обоснованность научных положений и достоверность основных результатов и выводов.................. 1.7. Практическая значимость и реализация результатов работы 1.8. Апробация работы....................... 1.9. Публикации........................... 1.10. Основные положения, выносимые на защиту........ 2. Основное содержание работы
2.1. Определение основных видов дефектов магистральных газопроводов (МГ), их систематизация и классификация.. 2.2. Развитие теории и повышение информативности внутритрубной дефектоскопии (ВТД)................ 2.2.1. Выбор видов и методов неразрушающего контроля.. 2.2.2. Развитие магнитного контроля применительно к задачам ВТД МГ....................... 2.2.3. Повышение информативности ВТД на основе ЭМА метода........................... 2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ..... 2.3.1. Средства ВТД МГ на основе магнитного метода... 2.3.2. Средства ВТД МГ на основе ЭМА метода....... 2.4. Разработка высокоэффективной технологии ВТД...... 2.5. Метрологическое обеспечение средств ВТД......... Основные выводы и результаты Список научных трудов 1. Общая характеристика работы 1.1. Актуальность темы Важность проблемы обеспечения бесперебойной, безаварийной деятельности энергетических артерий страны - магистральных газопровоЦ дов (МГ), уложенных глубоко в грунт трудно переоценить.
В настоящее время только на Россию приходится несколько сотен тысяч километров действующих газопроводов. До 2000 г. капитальный ремонт трубопроводов осуществлялся методом полной замены труб с отключением и демонтажем ремонтируемых участков. Такой вид ремонта приводил к огромным материальным затратам.
Основная часть отечественных магистральных газопроводов формировалась в 1970Ц1980 гг. По данным ОАО Газпром, средний срок эксплуатации магистральных газопроводов по состоянию на 31 декабря 2009 г.
составляет 26 лет. На сегодняшний день значительная часть российских газопроводов перешагнула нормативный срок службы. Этот срок не имеет научно обоснованного физического смысла и носит весьма условный характер.
Срок эксплуатации до 80 % газопроводов превысил 15 лет, около 40 % газопроводов эксплуатируются более 25 лет, а некоторые более 30 - 35 лет.
Ц Для поддержания огромной сети трубопроводов в ОАО Газпром реализуется комплексная программа реконструкции и технического перевооружения объектов транспорта газа, компрессорныхмстанций и подземных хранилищ газа. Одной из задач, решаемых этой программой, является подготовка МГ к внутритрубной дефектоскопии, её проведение для выявления опасных дефектов и определения надёжности магистрального газопровода.
Эксперты Ростехнадзора в своих отчётах из года в год показывают, что основными угрозами целостности газопроводов являются развитие стресскоррозии трубопроводов и производственный брак, допущенный при проведении строительноЦмонтажных работ. Причиной этого является потеря качества изоляционного покрытия на газопроводах, а также недостаточный уровень технического надзора при строительстве газопроводов в 1970 - 1980 годах в период бурного развития газотранспортной системы.
Ц В последние годы этим вопросам уделяется особое внимание. Однако, несмотря на общее повышение уровня надёжности газотранспортной системы России, по данным как ОАО Газпром, так и Ростехнадзора, задача дефектоскопии магистральных газопроводов в целях выявления всех видов коррозионных и конструкционных дефектов не теряет актуальности, а наоборот требует постоянного повышения достоверности и нодёжности контроля.
1.2. Состояние проблемы Таким образом, создание высокоэффективных методов, средств и технологий внутритрубной дефектоскопии для диагностического обследования состояния газопроводов и оценки опасности обнаруженных повреждений труб - проблема, имеющая важное значение для экономики страны. Для решения данной проблемы необходимо провести научное обоснование сложных технических решений, составляющих основу внутритрубной дефектоскопии (ВТД).
1.2. Состояние проблемы В связи с большим количеством повреждений труб подземных магистральных газопроводов по механизму как общей коррозии, так и стрессЦкоррозии в США в конце 50-х, а в СССР в конце 70-х годов были предприняты первые попытки решения проблемы по разработке и созданию внутритрубных снарядов-дефектоскопов для инспекции подземных трубопроводов.
Ко времени разработки и создания внутритрубных снарядовЦдефектоскопов был накоплен достаточно большой опыт применения на заводах магнитной дефектоскопии труб с неочищенной поверхностью, покрытой тонким, но неравномерным слоем окалины. В дальнейшем работы в этом направлении проводились быстро и успешно и к настоящему времени создано большое количество разных типов снарядовЦдефектоскопов, которые являются основным средством ВТД.
Анализ известных теоретических работ и технических решений в этой области показал, что использование магнитных методов для обнаружения дефектов в стенках подземных трубопроводов является довольно трудной задачей в научном плане и не менее трудоёмкой в техническом исполнении. Для решения этой проблемы необходимо выполнить ряд обязательных требований:
Х система для контроля подземного газопровода должны помещаться внутри трубы и проходить в ней не менее 150 км (это среднее расстояние между компрессорными станциями);
Х намагничивающая система должна потреблять как можно меньше электрической энергии и должна намагничивать стенки трубы до индукции, близкой к насыщению, так как только при этом условии дефекты внешней поверхности трубы могут быть обнаружены первичными преобразователями;
Х измерительная система должна иметь устройство для фиксации преобразователей и обеспечивать им наиболее полное сканирование по поверхности трубы;
Х также необходимо создать системы регистрации дефектов и обработки полученной информации, разработать вспомогательные устройства, необходимых для надёжного выявления всех видов дефектов.
Для решения этих задач в зарубежных снарядахЦдефектоскопах используются мощные электромагниты, для обеспечения работы которых необходимы дополнительные секции, в которых размещаются элек6 1. Общая характеристика работы тронное оборудование и аккумуляторы. Это был своего рода внутритрубный ФпоездУ, состоящий из секций, соединённых гибкими шарнирами и массой 10 и более тонн. ДвухЦ и трехсекционные снарядыЦдефектоскопы типа Лайналог давали хорошие результаты при диагностике состояния действующих газонефтепроводов и выявляли поперечные трещины, эрозионный износ, различные коррозионные повреждения.
Отчественными специалистами ещё в начале 70-х годов был разработан и создан снарядЦдефектоскоп на базе постоянных магнитов для регистрации коррозионных дефектов в газонефтепроводах малого диаметра - 300 мм. УДТЦ300 был изготовлен на базе постоянных магнитов - ферритЦбарий, более поздняя модификация УДТЦ350 - на постоянных - магнитах самарийЦкобальт, в этом было основное отличие отечественных снарядовЦдефектоскопов от зарубежных.
В дальнейшем появилась необходимость в разработке надёжных и высокоэффективных средств ВТД магистральных трубопроводов диаметром до 1,5 м.
Для решения этой задачи необходимо было научно обосновать новые технические решения по созданию средств и технологий надёжного выявления наиболее опасных дефектов и обеспечения безаварийной работы магистральных газопроводов.
Решению этой важной государственной проблемы посвящена данная работа.
1.3. Цель диссертационной работы Цель диссертационной работы состоит в научном обосновании технических решений по внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов на основе развития теории и разработки высокоэффективных методов, средств и технологии внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов для обеспечения их безаварийной эксплуатации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Определить и классифицировать по степени опасности характерные типы дефектов магистральных газопроводов, установить возможности их выявления и дефектометрической оценки различными методами неразрушающего контроля.
2. Разработать обобщённую расчётную модель, адекватно описывающую взаимодействие характерных дефектов газопровода с первичными преобразователями средств неразрушающего контроля.
3. Обобщить теоретические и экспериментальные исследования о взаимосвязи между параметрами характерных дефектов газопровода с выходными сигналами первичных преобразователей средств неразрушающего контроля при различных условиях контроля и воздействиях мешающих факторов. Научно обосновать и определить наиболее информативные для внутритрубной дефектоскопии газопроводов параметры сиг1.4. Методы исследования налов, регистрируемых средствами неразрушающего контроля.
4. Разработать алгоритмы дефектометрической оценки параметров выявленных при внутритрубной дефектоскопии дефектов.
5. Исследовать различные факторы, влияющие на выявляемость характерных для магистральных газопроводов дефектов и определить методы и средства их подавления.
6. Установить предельные возможности выбранного основным вида неразрушающего контроля газопроводов и определить пути их расширения за счёт применения дополнительных видов контроля.
7. Разработать концепцию построения снарядаЦдефектоскопа для внутритрубной дефектоскопии, его конструкцию и определить режимы и способы движения, считывания, координатной привязки, хранения и обработки информации.
8. Создать и внедрить снарядыЦдефектоскопы и необходимые вспомогательные средства высокой надёжности для проведения внутритрубной дефектоскопии с безусловным выявлением опасных дефектов.
9. Разработать технологию внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов на основе созданных снарядовЦдефектоскопов и вспомогательных средств.
10. Разработать и аттестовать стандартный образец с характерными дефектами для метрологического обеспечения средств внутритрубной дефектоскопии.
11. Реализовать на основе разработанных средств контроля и технологий проведение внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов в объёме, требуемом для обеспечения их безаварийной работы.
1.4. Методы исследования Исследования проводились на основе апробированных и корректных численных и аналитических методов расчёта и анализа магнитных полей, математического и физического моделирования, прикладной статистики и интерпретации статистических данных.
Результаты теоретических исследований проверены и подтверждены экспериментами, а также данными многочисленных испытаний и обследований магистральных трубопроводов с помощью разработанных внутритрубных снарядовЦдефектоскопов.
1.5. Научная новизна 1. Разработана концепция построения снарядаЦдефектоскопа для внутритрубной магнитной дефектоскопии с намагничивающей системой на постоянных магнитах, не требующих мощных источников питания.
Предложенная концепция включает общую компоновку снарядаЦдефектоскопа, применение дополнительного к продольному поперечного намагничивания, выбор первичных преобразователей, их размещение, ори8 1. Общая характеристика работы ентацию и схемы включения, применение кассет с первичными преобразователями в виде эластичных ласт, применение системы автоматического регулирования скорости движения снарядаЦдефектоскопа и ряда вспомогательных устройств.
2. Для выбранного основным магнитного контроля предложена обобщённая расчётная модель дефектов типа трещин и коррозионных поражений газопровода в виде паза конечной длины и глубины с трапецеидальным продольным и поперечным сечениями. Показана необходимость учёта нелинейности магнитных свойств металла газопровода и их незначительное различие для применяемых в газопроводах сталей разных марок.
3. Разработаны алгоритмы дефектометрической оценки параметров выявленных при внутритрубной магнитной дефектоскопии дефектов с использованием приближенных аппроксимирующих выражений.
4. На основе теоретических и экспериментальных исследований проведён анализ топографии магнитных потоков рассеяния над характерными для магистральных трубопроводов дефектами в основном металле и сварных соединениях при различных режимах намагничивания.
Научно обоснованы и определены наиболее информативные для внутритрубной дефектоскопии газопроводов параметры магнитных потоков рассеяния близкие к оптимальным условия выявления дефектов.
5. Определены предельные возможности магнитного контроля магистральных газопроводов при внутритрубной дефектоскопии: приемлемая для практики вероятность идентификации трещин достигается при их глубине более 10 % от толщины t трубопровода, надёжное выявление трещин достигается при их глубине более 0,05 t. Установлено, что не соответствует требованиям практики вероятность выявления и идентификации трещин малой ширины (менее 50 мкм) и (или) длины (менее 10 мм) на фоне общей коррозии, а также не выходящих на поверхности трубопровода расслоений, образующиеся по хрупкому механизму растрескивания.
6. Показано, что для повышения достоверности ВТД магнитный контроль целесообразно дополнить электромагнитноЦакустическим (ЭМА) методом. Проведённые исследования показали, что ЭМА метод позволяет в значительной степени уменьшить ограничения, присущие магнитному виду контроля и дополнительно получать важную диагностическую информацию, в частности, оценивать состояние наружной изоляции газопроводов и измерять коэффициент концентрации и градиенты разности главных механических напряжений.
Установлено, что при измерениях ЭМА методом наибольшая чувствительность к упругим напряжениям в стали достигается при напряжённости магнитного поля H < 8 000 А/м, а при H 12 000 А/м упругие свойства стали не выявляются.
1.6. Обоснованность научных положений и достоверность результатов 1.6. Обоснованность научных положений и достоверность основных результатов и выводов Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов обеспечиваются корректностью поставленных задач, представительностью и достоверностью исходных и экспериментальных данных, использованием общепринятых теорий, гипотез и допущений, применением апробированных и корректных методик неразрушающего контроля, методов математического моделирования, а также методов прикладной статистики и интерпретации статистических данных.
1.7. Практическая значимость и реализация результатов работы 1. Получены практические рекомендации по проектированию средств ВТД и выбору основных режимов контроля, а также повышению эффективности методов, средств и технологии ВТБ МГ. Обоснована целесообразность выполнения цилиндрической намагничивающей системы с полым цилиндрическим магнитопроводом, для продольного намагничивания постоянные магниты размещаются на его концевых участках симметрично относительно оси цилиндра, а для поперечного намагничивания равномерно вдоль образующей магнитопровода размещаются четыре постоянных магнита НЦобразной формы с чередующейся полярностью. Установлено, что для уменьшения и стабилизации магнитного сопротивления магнитной цепи целесообразно применять щётки с коэффициентом заполнения порядка 10 %, размещаемые на рабочих торцах постоянных магнитов.
2. Установлено, что наилучшие условия магнитного контроля по достоверности, производительности и точности координатной привязки достигаются при скорости движения снарядаЦдефектоскопа равной 2 м/с с диапазоном 1,5... 2,5 м/с. Для автоматического регулирования скорости движения снарядаЦдефектоскопа разработаны специальные системы, состоящие из байпасных устройств различной конструкции, датчиков скорости, исполнительных механизмов, блоков управления и регистрации.
3. Разработана технология внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов на основе созданных и сертифицированных в России и за рубежом снарядовЦдефектоскопов с байпасным устройством типа ДМТ и ДМТП и вспомогательных средств: скребка очистного, снаряда калибра, магнитного очистного поршня, снарядаЦпрофилемера, камер запуска и приёма внутритрубных средств дефектоскопии. Разработанные снарядыЦ дефектоскопы и вспомогательные средства, имеют высокую надёжность и способны обследовать более 1500 км трубопроводов без ремонтов и замен.
4. Для обнаружения и измерения параметров дефектов, выходя10 1. Общая характеристика работы щих на внутреннюю поверхность трубопровода разработан и внедрён снарядЦинтроскоп ФMFL+У, позволяющий упростить при магнитной дефектоскопии разделение сигналов от дефектов с внутренней и внешней поверхностей трубопровода.
5. Разработан и создан электромагнитноЦакустический внутритрубный дефектоскоп типа ФДЭМАТУ позволяющий надёжно выявлять трещины глубиной до 1 мм, длиной до 20 мм и шириной до 10 мкм, определять зоны утонения стенок газопровода, выявлять с вероятностью 85 % зоны отслоения изоляции площадью более 100 мм2, выявлять и оценивать зоны концентрации механических напряжений длиной и шириной 30 мм с уровнем кольцевых механических напряжения 0,1 составляет 85 %.
На основе разработанных средств и технологий внутритрубной дефектоскопии обследовано более 160 000 км магистральных трубопроводов в России и за рубежом при достигнутом ежегодном объёме контроля 20 000 км трубопроводов разных диаметров. За это время выявлено более 3 миллионов опасных дефектов, развитие которых грозило разрушением с аварийными последствиями.
В настоящее время, с учётом полученных автором начных результатов, ежегодно выпускается 12... 15 новых снарядовЦдефектоскопов ВТД, а модернизируется и совершенствуется около 25 единиц.
1.8. Апробация работы Основные положения диссертационной работы представлены многочисленными докладами на Международных деловых встречах ДДиагностикаУ в 1996... 2005 гг., на международных научных конференциях (ДБезопасность трубопроводовУ 1995, 1999 гг., ДОбслуживание и ремонт газонефтепроводовУ 2004 г., ДКитайскоЦроссийский научный симпозиумУ 2005 г., ДWorld Gas ConferenceУ 2006 г.), на европейских и российских научных конференциях (ДНеразрушающий контроль и диагностикаУ, ДПроблемы диагностики КРН и научноЦтехнические решения по определению дефектных участков трубопроводовУ, ДМагистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатацияУ 2000 г., ДСовременные методы и средства защиты и диагностики трубопроводных систем оборудованияУ, Европейских конференций по НК и ТД) в 1999 - 2010гг.
Ц 1.9. Публикации Основные положения диссертационной работы отражены в 52 публикации, в состав которых входят 10 монографий и 16 публикаций в изданиях, входящих в ДПеречень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кан1.10. Основные положения, выносимые на защиту дидата наук редакции 2010 годаУ, из них 13 работ без соавторов и монографий, общим объёмом более 1 000 стр.
1.10. Основные положения, выносимые на защиту 1) Концепция построения снарядаЦдефектоскопа для внутритрубной магнитной дефектоскопии с намагничивающей системой на постоянных магнитах.
2) Обобщённая расчётная модель дефектов типа трещин и коррозионных поражений в виде паза конечной длины и глубины с трапецеидальным сечением для магнитного контроля магистральных газопроводов.
3) Установленные закономерности изменения магнитных потоков рассеяния над характерными для магистральных газопроводов дефектами в основном металле и сварных соединениях при различных режимах намагничивания.
4) Алгоритмы классификации и дефектометрической оценки параметров дефектов выявленных при внутритрубной дефектоскопии МГ.
5) Обоснование целесообразности и высокой эффективности применения ЭМА метода для выявления стрессЦкоррозионных трещин малой ширины, оценки состояние наружной изоляции газопроводов, измерения коэффициента концентрации и градиентов разности главных механических напряжений.
6) Новые высокоэффективные методы и средства усовершенствованя и создания снарядовЦдефектоскопов и необходимых вспомогательных средства высокой надёжности для проведения внутритрубной дефектоскопии с надёжным выявлением опасных дефектов.
7) Высокоэффективная технология комплексной внутритрубной дефектоскопии с использованием магнитного контроля, ЭМА метода и комплекса вспомогательных средств.
2. Основное содержание работы 2.1. Определение основных видов дефектов магистральных газопроводов (МГ), их систематизация и классификация По происхождению дефекты магистральных газопроводов подразделяются на производственно-технологические и эксплуатационные. По природе происхождения можно выделить две группы дефектов:
Первая группа:
Х дефекты, качества металла (изменения в химическом составе или чрезвычайная загрязненность трубной стали);
Х дефекты проката металла (рванины; закатанная окалина; расслоения, плены, флокены и волосовины;
Х дефекты сварки (трещины в зоне сварочного шва, непровары, поры, раковины, шлаковые включения).
Вторая группа:
Х дефекты, возникающие при транспортировке и укладке труб (деформации и локальные напряжения в случае изгиба трубы, царапины, вмятины, нагартовка стенки трубы);
Х дефекты, за счёт механических повреждений стенки трубы (вмятины или гофра);
Х коррозионные дефекты (участок сплошной коррозии, скопление каверн или питтингов);
Х локальные коррозионные дефекты (язвы, свищи, каверны);
Х продольные канавки, ориентированные вдоль образующей трубы (ручейковая коррозия);
Х продольные трещины, ориентированные вдоль образующей трубы (могут иметь плавное изменение глубины вплоть до 50 % толщины стенки или состоять из небольших по длине трещин с небольшими перемычками между ними);
Х локальная зона мелких трещин, как правило, стрессЦкоррозионного типа;
Х аномалия кольцевого сварного шва (чаще всего связанна со смещением кромок сваренных труб, утяжиной, трещиной, непроваром).
Следует также отметить, что громадная сеть магистральных газопроводов с каждым годом стареет, увеличивается количество труб с 2.1. Определение основных видов дефектов МГ повреждённым изоляционным покрытием, так как плёночное покрытие не выдерживает иногда и 10 лет эксплуатации. На этих участках чаще всего и проявляются различные коррозионные дефекты.
Возникают дефекты, связанные с сезонной подвижкой грунтов, и как следствие на напряжённых участках происходит растрескивание, как в зоне монтажных кольцевых швов, так и просто по телу трубы.
Все дефекты целесообразно классифицировать по степени опасности:
Х закритический дефект (дальнейшая эксплуатация газопровода недопустима);
Х критический дефект (требует создания особых условий эксплуатации газопровода: снижение действующих нагрузок в стенке трубы, введение постоянного контроля над параметрами и состоянием дефекта методами наружной и внутренней дефектоскопии);
Х докритический дефект (требует периодического контроля методами наружной и внутренней дефектоскопии);
Х незначительный дефект (регистрируется для последующих сравнений с результатами плановых обследований).
Среди всех дефектов особое место занимают повреждения и разрушения, связанные с коррозионным растрескиванием под напряжением (КРН), за рубежом получившее название стрессЦкоррозии. Проблема поражения магистральных газопроводов дефектами стрессЦкоррозии существует уже достаточно длительное время.
Анализ аварийных отказов магистральных газопроводов России показывает, что их разрушение в большинстве случаев происходит вследствие стрессЦкоррозионного повреждения внешней поверхности металла труб. В рамках проблемы повышения надёжности работы магистральных газопроводов существенный интерес представляет рассмотрение совокупности факторов, способствующих развитию повреждения металла труб по механизму стрессЦкоррозии. В качестве таких факторов различные авторы указывают на воздействие кислых, щелочных и карбонатных растворов, водородное охрупчивание, повышенную твёрдость металла, совместное действие механических напряжений и коррозионноЦ агрессивной среды, Проведённые автором исследования показывают, что водородное растрескивание металла может инициироваться неметаллическими включениями, в частности вытянутыми сульфидами марганца, и распространяться вдоль текстуры (по оси трубы). Зарождение поверхностных дефектов является следствием взаимодействия водной среды с неметаллическими включениями на наружной поверхности газопроводов, что приводит к устойчивому щелевому эффекту в местах вытравления сульфидов.
Видно, что появлению коррозионных процессов в подземных трубопроводах способствует совокупность различных по своей природе факторов:
14 2. Основное содержание работы Х качество выплавки стали по химическому составу;
Х наличие больших скоплений неметаллических включений;
Х качество изготовления проката и наличие расслоений в стенке трубы;
Х остаточные напряжения в зоне догиба кромок листа, в термической зоне продольного сварного шва и нарушение структуры металла вблизи сварного шва, приводящие к изменению служебных характеристик трубной стали;
Х недостаточная жёсткость конструкции труб большого диаметра против различного рода циклических колебаний и сезонных нагрузок;
Х наличие дефектов в изоляционном покрытии;
Х различные типы грунтов, создающие с грунтовыми водами агрессивную среду.
Таким образом, возникновение и развитие стрессЦкоррозии на трубах, представляет собой многофакторный характер, начиная от качества выплавки металла и заканчивая условиями эксплуатации магистральных газопроводов.
Анализ исследований, проведённых на материале труб после разрушения показал, что практически в каждом случае вокруг очага разрушения есть трещины, которые остановились в своём развитии - заЦ тупились вершины трещин. Иногда эти трещины даже при разрушении (взрыве) не страгиваются, если находятся вдали от магистральной трещины. Но наблюдаются случаи, когда трещины страгиваются под действием внешней причины и катастрофически быстро развиваются вглубь металла (со скоростью не менее 1,5 мм/год) и именно они образуют очаг разрушения трубы.
Самым массовым дефектом труб магистральных газопроводов является общая коррозия. Статистический анализ показал, что на участках с интенсивной общей коррозией отсутствуют дефекты стрессЦкоррозии и, наоборот, в местах зарождения и развития стрессЦкоррозии общей коррозии практически не наблюдается, словно стрессЦкоррозионный процесс тормозит развитие общей коррозии.
Существенную значимость имеют четыре фактора:
1) Стресс-коррозия появляется по всему периметру трубы, но имеется явный приоритет концентрации дефектов на нижней её части (с до 7 ч по циферблату).
2) Наибольшее количество стресс-коррозионных повреждений наблюдается на трубах с плёночной изоляцией, меньше - с битумной.
Ц 3) Влияние толщины стенок труб наиболее явно выражено для газопроводов с диаметром труб 1420 мм. Зарождение и развитие стрессЦ коррозии происходит на наиболее нагруженном участке газопровода, выполненного, как правило, из тонкостенных труб. Толщина стенок труб определяет фактические напряжения, как от внутреннего давления газа, так и дополнительные от внешнего воздействия на трубопровод.
2.1. Определение основных видов дефектов МГ Продольная канавка 495 мм 40 мм 1,5 мм Трещины стресс-коррозионного происхождения Трещина на кольцевом шве Продольная трещина (по линии сплавления продольного сварного шва) Рис. 1. Типичные дефекты газопроводов 4) Влияние способа изготовления труб. Так, при спиральном закручивании листа в трубу имеет место холодная деформация металла листа в направлении, противоположном направлению прокатки (типа скручивания), возникающие при этом напряжения сохраняются в трубе и после сварки. По-видимому, только поэтому в абсолютном исчислении максимальное количество дефектов стресс-коррозии обнаружено на спиральношовных трубах. На втором месте по количеству обнаруженных дефектов стрессЦкоррозии занимают отечественные прямошовные двухшовные трубы. И совсем незначительное количество дефектов стрессЦ коррозии обнаружено на импортных прямошовных одношовных трубах.
Для двухшовных и одношовных труб такое соотношение обнаруженных дефектов естественно. В любом случае сварки плетей, а в последующем магистрального газопровода один шов всегда окажется в нижней половине трубы (между 5 и 7 ч по циферблату), а в одношовной трубе шов может оказаться в нижней части трубы только по недосмотру монтажников. Таким образом, вклад в дефектность в двухшовных трубах вносят металл трубы и один продольный заводской сварной шов, а в одношовных трубах - в основном только металл трубы. Из этих значимых - факторов первые два связаны с целостностью изоляционного покрытия, остальные с напряжённоЦдеформированным состоянием металла труб.
Для определения не только основных параметров, характеризующих состояние металла труб, но и фактического состояния всего газопровода используются методы внутритрубной диагностики - комплекс - 16 2. Основное содержание работы технологических операций, реализуемых путём пропуска внутри газопровода специальных внутритрубных снарядов. Внутритрубная дефектоскопия позволяет проводить обследование линейной части газопроводов на всем её протяжении, выявлять различные несовершенства и дефекты, являющиеся потенциальными причинами аварийных отказов.
2.2. Развитие теории и повышение информативности внутритрубной дефектоскопии (ВТД) 2.2.1. Выбор видов и методов неразрушающего контроля Инспекция подземных магистральных газопроводов включает выявление разнообразных дефектов, их идентификацию и дефектометрическую оценку для последующего определения степени опасности. Дефекты, развивающиеся в процессе эксплуатации, возникают, преимущественно, на внешней поверхности трубопровода. Для инспекции многокилометровых газопроводов с требуемым качеством необходимо обеспечить как достаточную ко всей гамме возможных дефектов чувствительность, так и высокую производительность. Последнее требование диктует необходимость применения исключительно бесконтактного неразрушающего контроля. Требуемую чувствительность способны обеспечить бесконтактные магнитный и магнитно акустический контроль. Они дополняют друг друга и позволяют повысить достоверность внутритрубной дефектоскопии при совместном использовании.
Электромагнитно акустический (ЭМА) метод сравнительно новый и относится к акустическому виду контроля. Для бесконтактного возбуждения ультразвука требуется импульсная электрическая мощность в несколько киловатт. Благодаря появлению современной, полупроводниковой элементной базы, способной коммутировать токи до 100 А при напряжениях 600... 800 В, удаётся создать экономичные малогабаритные ЭМА средства внутритрубной дефектоскопии. Возможности применения ЭМА метода для внутритрубной дефектоскопии активно исследуются, в том числе, и в рамках представленной работы.
Особый интерес вызывает возможность получения информации о дефектах газопроводов трудно или принципиально не выявляемых магнитным контролем. При магнитном контроле затруднено выявление трещин при следующих условиях:
Х ширина трещин менее 50 мкм;
Х трещины развиваются на фоне общей коррозии, Х трещины развиваются с внешней стороны трубопроводов толщиной более 30 мм.
2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД Рис. 2. Принцип выявления дефектов сплошности магнитным методом Магнитным контролем с низкой вероятностью выявляются расслоения при условии их выхода на одну из поверхностей, а получаемая оценка толщины трубопровода выполняется с достаточно большой погрешностью.
ЭМА метод имеет большую чувствительность к вышеперечисленным дефектам газопроводов, что позволит при его реализации получить информацию о дефектах металла в более полном объёме. Кроме того, с помощью ЭМА метода можно судить о состоянии наружной изоляции трубопровода и механических напряжениях в металле, получая важную для диагностики информацию.
Наиболее широко для внутритрубной дефектоскопии применяется магнитный контроль, позволяющий выявлять и идентифицировать большую часть опасных для газопроводов дефектов.
Принцип выявления дефектов при магнитном контроле заключается в вытеснении части магнитного потока из металла за счёт увеличения магнитного сопротивления соответствующего участка дефектом сплошности. Образуемый за счёт дефекта магнитный поток рассеяния регистрируется магниточувствительным первичным преобразователем, перемещаемым над поверхностью трубы (рис. 2).
Дефектоскопия подземных трубопроводов на основе магнитного контроля является довольно трудной задачей в научном плане. Для её решения потребовалось провести научные исследования, связанные с определением оптимальных режимов намагничивания и расчётом соответствующих намагничивающих систем, установлением взаимосвязи между размерами характерных для трубопроводов дефектов и параметрами магнитных потоков рассеяния, определить наиболее информативные составляющие магнитных потоков рассеяния и способы их считывания, оценить влияние мешающих факторов и разработать способы его подавления. Научные исследования проводились как экспериментально, так и путём математического моделирования.
18 2. Основное содержание работы 2.2.2. Развитие магнитного контроля применительно к задачам ВТД МГ Исследование влияние магнитных свойств металла Для всех видов исследования важен вопрос о влиянии магнитных свойств металла на формирование магнитных потоков рассеяния.
Это довольно трудоёмкая рабоТаблица 1. Трубные стали та, для выполнения которой необходимы образцы из труб магистраль№ Страна про- Марка станых трубопроводов всех марок стаобр. изводитель ли лей. Было принято решение провести 1 Япония Хисследования на модельных образцах 2 Германия Хнебольших размеров, так как ото3 Швеция Хбрать натуральные образцы с дефек4 Россия 0.8Г2МФБ тами на магистральных трубопрово5 Россия 17Г2АФ дах практически невозможно. Неко6 Россия 17Г1СУ торые стали в принципе уже не при7 Россия 16ГФР 8 Россия 09Г2ФБ меняются для изготовления труб, поскольку произошла замена на новые стали с лучшими служебными характеристиками. Здесь имелось ещё одно основание для принятия такого решенияЦ зависимость поля дефектов - при заданной намагниченности металла от его магнитной проницаемости хорошо изучена. В данном случае для решения вопроса о выявляемости дефектов в сталях разных марок достаточно получить кривые намагничивания этих сталей.
Для исследования были взяты восемь трубных сталей отечественного и зарубежного производства (таблица 1). Из каждой стали были изготовлены 3 образца: два образца в виде стержней, вырезанных в поперечном и продольном направлениях относительно оси трубы, и один в виде кольца. На кольцевых образцах проведены измерения индукции баллистическим гальванометром на установке БУЦ3.
Различие полученных магнитных характеристик всех трубных марок сталей достаточно мало (рис. 3). Это связано со слабым влиянием магнитных свойства низколегированных малоуглеродистых сталей от вариаций химического состава. Полученные результаты лежат в сравнительно узкой полосе между кривыми намагничивания наиболее жёсткой (в магнитном отношении) и наиболее мягкой сталей (марки сталей 17Г2АФ и 16ГФР соответственно). Приведённые кривые намагничивания показывают, что в интересующей нас области индукции (B = 1,5... 1,6 Тл) крайние значения проницаемости отличаются от среднего значения примерно на 30 %. В этих условиях выявляемость дефектов в указанных марках сталей будет практически одинакова. Действительно, анализ многочисленных исследований показывает, что индукция магнитных потоков рассеяния в окрестности рабочей точки не зависит от проницаемости стали, при неизменной напряжённости H0 намагничивающего поля. Как правило, обеспечивается постоянство намагничиваю2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД щего магнитного потока . Это приводит к вариации H0 при изменении . Полученные оценки показывают, что поля дефектов типа трещин от вариации практически не зависят, а поля дефектов типа коррозионных каверн на трубах с предельно большими и предельно малыми значениями будут отличаться от средних значений приблизительно на 30 %.
Кривые намагничивания, снятые на стержневых образцах из отечественной стали 17Г1СУ, вырезанных вдоль оси трубы и в поперечном направлении, различаются мало, также как от кривой намагничивания, полученной для кольца и располагающейся в полосе между образцами 5 и 7 (рис. 3). Это показывает, что анизотропия свойств данных сталей, обусловленная текстурой прокатки, пластической деформацией при заготов- Рис. 3. Кривые намагничивания трубных сталей ке листа для трубы и рядом других причин, невелика.
Процессы формирования магнитных потоков рассеяния и их связь с параметрами дефектов - предмет многочисленных теоретических и экспериментальных исследований как отечественных, так и зарубежных ученых: Акулова Н. С., Вонсовского С. В., Горкунова Э. С., Загидулина Р. В., Зацепина Н. Н., Михеева М. Н., Мужицкого В. Ф., Ничипурука А. П., Пашагина А. И., Покровского А. Д., Халилеева П. А., Щербинина В. Е., Шель М. М., Шелихова Г. С., Шура М. Л., Януса Р. И., Ферстера Ф., Штумма У., Добмана Н. и др.
Вместе с тем, магнитная дефектоскопия газопроводов имеет свою специфику, не нашедшую должного отражения в известных работах.
Одна из особенностей состоит в том, что значительная часть дефектов имеет вид канавок (ручейковая коррозия) продольного и поперечного направления. Активно развивающиеся в глубину трещины имеют треугольное поперечное сечение. Прекращение роста трещин происходит при их "затуплении". Тогда они имеют трапецеидальное поперечное сечение. Значительная часть дефектов имеет плавное изменение глубины трещины. Модели, успешно применяющиеся для других задач магнитной дефектоскопии, не описывают отмеченных особенностей.
Дефекты, подлежащие выявлению в стенках газопроводов, довольно разнообразны по своим конфигурациям и размерам и задача определения геометрических параметров дефектов по изменению магнитного поля на дефектах не имеет общего решения. В практике магнитной дефектоскопии эту задачу до настоящего времени решают лишь в тех случаях, когда в однотипных изделиях выявляются однотипные дефекты.
20 2. Основное содержание работы Реальные дефекты в работающем газопроводе далеки от искусственных, а условия лабораторных исследований далеки от реальных условий работы снарядаЦдефектоскопа:
Х реальные дефекты имеют сложную форму, изменяясь по длине, ширине и глубине от дефекта к дефекту;
Х в газопроводе снаряд-дефектоскоп может двигаться при разных скоростях - от 1 до 5 м/с и более со всевозможными ускорениями - и биениями, в результате чего магнитный поток в стенке трубопровода будет все время изменяться;
Х на сигналы датчика магнитного поля будут накладываться сигналы, вызванные случайными причинамиЦ выступами сварных швов, - локальными утолщениями труб, магнитным и немагнитным шламом, врезками, заглушками и разного вида обустройствами.
Неоднородности магнитного поля, обусловленные дефектами сплошности, могут быть выявлены измерениями нормальной компоненты, ортогональной к поверхности трубы или тангенциальной компоненты, совпадающей с направлением намагничивающего поля. В большинстве зарубежных и отечественных дефектоскопов для контроля изделий предпочтение отдавалось регистрации нормальной компоненты. Это аргументировалось тем, что тангенциальная компонента над поверхностью изделия в направлении его измерения не равна нулю даже тогда, когда никаких дефектов нет.
Возможные расположения элементов преобразователей, содержащих один чувствительный элемент (называемых полимерами I и II), а также содержащих два элемента и включённых встречно (условно называемых градиентометрами III, IV, V и VI) показаны на рис. 4.
Схемы включения I и III, а также II и IV дают сигналы одинакового характера, а схема V не используется из-за отсутствия полезного эффекта при включения второго элемента. Таким образом, достаточно рассмотреть преимущества и недостатки схем I и II.
Недостатком преобразователей типа I, сигналы которых определяются тангенциальными компонентами поля, является неравенство нулю сигнала U0, выдаваемого ими над неповреждённой стенкой трубы. Колебания этого фонового сигнала, вызываются колебаниями фонового поля H0. Устранить эти трудности можно использованием преобразователей типа III. Форма сигналов, выдаваемых преобразователями этого типа, не отличается от формы сигналов с преобразователей типа I. Достоинством схемы III является однозначность выдаваемых сигналов. Любые дефекты сплошности приведут к увеличению H, и, соответственно, к увеличению абсолютной величины сигнала без изменения знака. Уменьшения сигнала могут происходить только при возрастании толщины стенок трубы в результате применения накладок и других конструктивных элементов, регистрация этих уменьшений поля не встречает затруднений и вовсе необязательна. Указанная особенность позволяет использовать незнакочувствительные регистраторы. Протяжённость сигнала достаточно точно 2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД Рис. 4. Возможные варианты расположения чувствительных элементов в первичных преобразователях Рис. 5. Магнитограммы от группы дефектов для нормальной и тангенциальной составляющих потоков рассеяния 22 2. Основное содержание работы Рис. 6. Магнитограммы от катастрофического дефекта для нормальной и тангенциальной составляющих потоков рассеяния соответствует протяжённости дефекта, что чрезвычайно облегчает расшифровку и интерпретацию сигналов. Небольшое отклонение оси магниточувствительного элемента от параллельности внутренней поверхности трубы не приводит к существенному изменению сигнала.
Первый недостаток схем типа II состоит в двузначности выдаваемых ими сигналов, что осложняет расшифровку записи. Второй недостаток - высокая вероятность пропуска протяжённого дефекта с пологими краями, а третий состоит в том, что протяжённость дефекта не соответствует протяжённости сигнала на магнитограмме. Достоинство же схемы II - отсутствие фонового сигнала при перемещении над бездеЦ фектными участками, реализуется только при сохранении нормальной ориентации оси чувствительных элементов в процессе сканирования.
Обеспечить это практически весьма сложно.
Изложенные соображения в пользу выбора схемы включения III проверялись экспериментально. Были сняты магнитограммы четырёх дефектов (рис. 5) и магнитограммы катастрофического дефекта (рис. 6) шириной 14 мм и постепенно углубляющегося до 90 % в стенку трубы.
2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД Дефект был типа канавки и сигнал по нормальной компоненте Hn, для него составляет по максимуму 116 А/см, а по тангенциальной компоненте Ht - 40 А/см.
Ц Оказалось, что магнитограммы по сигналам полимера типа II использовать в реальных условиях невозможно вследствие больших помех от нестабильности углов установки и от полей вихревых токов. Вместо полимеров типа II были использованы градиентометры типа IV, но магнитограммы существенно усложнились. Количество пиков от резко локализованных дефектов удвоилось (но не во всех случаях, как показано на нижних графиках (см. рис. 5 и рис. 6), а многие сильно растянутые слабые сигналы от размытых краёв дефектов большой площади, наоборот, компенсируются и исчезают. По-видимому, в этом случае возникшие трудности непреодолимы. Описанные закономерности справедливы, как для чувствительных элементов в виде феррозондов, так и датчиков Холла или индукционных датчиков.
Таким образом, при внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов целесообразно регистрировать тангенциальную составляющую магнитного поля, совпадающую с направлением намагничивающего поля. При этом для подавления неинформативной составляющей сигнала следует использовать градиентометрическую схему включения чувствительных элементов, располагая их друг над другом (рис. 4, схема III).
Разобраться в природе сигналов от дефектов и от причин, вызвавших изменение магнитного поля, поРис. 7. Зависимости относительного могает опыт эксплуатации дефектоприращения напряжённости скопов, получаемый при сопоставлемагнитного поля рассеяния от нии записей с вызвавшими их редефектов от их глубины в процентах альными дефектами различной приh% при t = 15 мм роды. Вместе с тем, для выясне- 1... 7-номер образца по табл. ния основных закономерностей формирования потоков рассеяния под действием характерных дефектов необходимо провести как расчётноЦтеоретические, так и экспериментальные исследования, опираясь на модельное представление дефектов.
24 2. Основное содержание работы Таблица 2. Исследуемые типы искусственных дефектов с размерами № Типы дефектов Размеры, мм обр.
Поперечный щелевой (типа тре1 0,5 1щины) 2 Поперечный 20 3 Поперечный 10 4 Круглый 5 Круглый Постепенно расширяющийся и от 9 до 30 мм с углом зауглубляющийся точки 120 7 Продольные дефекты 20 100 и 20 Экспериментальные исследования Анализ реальных дефектов, выявляемых при дефектоскопии работающих трубопроводов показал, что всё их многообразие целесообразно свести к модельным дефектам 7-ми типов (таблица 2). Были изготовлены образцы с дефектами соответствующего типа разной глубины в трубе толщиной t = 15 мм из стали марки 17Г1СУ. При экспериментальных исследованиях трубу намагничивали в соленоиде для получения однородной намагниченности на достаточной её части. Магнитное поле измеряли на внутренней поверхности трубы феррозондовым преобразователем импедансного типа.
Феррозонд перемещался над дефектом, сигнал от него записывался двухкоординатным самописцем, а параллельно регистрировалось пройденное феррозондом расстояние. Полученные зависимости в процентах H/H0 от глубины h% дефектов приведены на рис. 7, где H0 - наЦ пряжённость намагничивающего поля над бездефектной трубой, H - Ц максимальное приращение тангенциальной компоненты этого поля при сканировании.
Анализ полученных результатов приводит к следующим предварительным выводам:
Х Поперечные дефекты, вытянутые в перпендикулярном направлении намагничивания, дают много большие сигналы, чем продольные дефекты, вытянутые вдоль направления намагничивания. Дефект типа продольной трещины не выявляется вообще.
Х Протяжённость сигнала в направлении сканирования достаточно точно соответствует протяжённости дефекта в том же направлении, если последняя превышает величину 2(t + Т), где t - толщина - стенки трубы (15 мм), а T - расстояние от поверхности трубы до - датчика (3 мм). Таким образом, совпадение протяжённости дефекта имеет место при длине дефекта более 36 мм, а дефекты меньшей длины, вплоть до нулевой, когда имеется в виду поперечная трещина, дают сигналы одинаковой протяжённости - от 25 до 36 мм.
Ц 2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД Классификация дефектов Определение геометрических размеров дефекта сплошности, особенно его глубины, по параметрам его магнитного поля затруднительно.
Целесообразно после приближенной оценки длин дефекта L= и L, в направлениях параллельном и перпендикулярном направлению намагничивания, соответственно, воспользоваться классификацией, приведённой в таблице 3.
После проведения испытания опытной поисковой секции в натурных условиях по магнитограммам была сделана оценка размеров и глубин искусственных и некоторых естественных дефектов. После снятия изоляции с поверхности трубы результаты расшифровки магнитограмм были сопоставлены с действительными размерами дефектов. Сопоставления показали, что результаты оценки размеров и глубин дефектов, относящихся к классам 2 и 3, в большинстве случаев хорошо совпадают с действительными размерами, но иногда дают завышенные глубины по сравнению с действительными глубинами дефектов. Естественные коррозионные дефекты классов 1 и 4 в этих испытаниях не встречались.
Разбивка дефектов на четыре класса по их конфигурации полезна, так как для каждого из этих классов зависимость величин сигналов, создаваемых дефектами, от их глубины существенно различна. Эти зависимости могут быть уточнены по мере накопления статистических данных на стендовых и эксплуатационных испытаниях внутритрубных снарядовЦдефектоскопов. В принципе возможна корректировка расшифровки магнитограмм, которые в будущем при эксплуатации дефектоскопов повысят точность определения глубины дефектов.
Расчётно-теоретические исследования Математическое моделирование проводилось с учётом нелинейности магнитных свойств металла как в двухмерной (ELCUT), так и в трёхмерной постановке (ANSYS). Пакет ELCUT имеет достаточно развитые сервисные возможности, но не позволяет моделировать трёхмерные задачи. Путём математического моделирования определялись закономерности формирования магнитных потоков рассеяния под воздействием дефектов при вариации их формы, геометрических размеров и положения.
Отдельно исследовалась топография магнитного поля над сварным швом и околошовной зоной с учётом различия их магнитных свойств и влияния валика усиления.
Для описания возможно большего класса дефектов единой расчётной моделью была разработана модель в виде паза конечной длины и глубиТаблица 3. Классификация дефектов Класс Характер дефекта L= L 1 Узкие поперечные дефекты < 2t 2t 2 Малые приблизительно равнопротяженные 2t < 2t 3 Большие приблизительно равнопротяженные > 2t > 2t 4 Узкие продольные 2t < 2t 26 2. Основное содержание работы Рис. 8. Расчётная модель в виде паза конечной длины и глубины с трапецеидальными продольным и поперечным сечениями Рис. 9. Расчётная модель в виде паза конечной длины и глубины с треугольной продольным и поперечным сечениями ны с трапецеидальными продольным и поперечным сечениями (рис. 8).
В известных моделях исследовались дефекты с прямоугольными сечениями. При этом несплошность имела вид прямоугольного параллелепипеда. Предложенная модель позволяет в большей степени учитывать форму реальных дефектов в виде канавок, коррозионных поражений и трещин. При реализации расчётных моделей принимались следующие допущения:
Х Распределение напряжённости намагничивающего магнитного поля H0 по сечению трубы равномерно.
Х Контролируемый участок плоский.
Х Для сталей различных марок сталей можно пользоваться усреднённой кривой намагничивания.
Для каждого из принятых допущений проводилась оценка вносимой погрешности, которая не превышала приемлемой для решаемой задачи величины.
2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД На основе предложенной модели исследовались основные закономерности формирования магнитных потоков рассеяния внешними и внутренними дефектами с треугольным поперечным сечением (рис. 9), устанавливалась взаимосвязь между параметрами таких дефектов и максимумом соответствующего приращения тангенциальной составляющей Ht. Данный вид модели позволяет исследовать влияние дефектов типа трещин ( < 30), точечных потерь металла и локальных коррозионных поражений (30 < 90), общей коррозии и механических повреждений ( > 90).
При расчётах задавались следующие параметры: толщина стенки трубы t = 12 мм, внешний радиус трубы R = 610 мм, напряжённость намагничивающего поля H0 = 8000 А/м, рабочий зазор T = 3 мм. Принималась усреднённая для трубных сталей кривая намагничивания, а для обобщения полученных результатов, выполнялась нормировка при ращения Ht по напряженности H0 намагничивающего поля Ht = Ht/H0.
Приведённая длина дефекта Lпр вычислялась по формуле Lпр = L/ Rt.
Приведённая длинна Lпр используется в прочностных расчётах.
Представленные на рис. 10 зависимости показывают, что с увели чением угла возрастает влияние на Ht,max длины как внутренней, так и наружной трещин. Установлено, что от величина угла существенно влияет на соотношение чувствительностей к внутреннему и внешнему дефектам. Представленные на рис. 11 зависимости показывают, что с увеличением угла и глубины h дефекта чувствительность к внешнему дефекту растет и при определенных условиях может значительно превосходить чувствительность к внутреннему дефекту таких же размеров.
Так, например, при h% = 25 % и = 10 сигнал от внутреннего дефекта примерно в 2 раза превосходит сигнал от аналогично наружного дефекта. При h% = 25 % и = 150, а также при h% = 50 % и = 60 сигналы от идентичных внутреннего и внешнего дефектов сопоставимы. Однако, при h% = 50 % и = 150 уже сигнал от внешнего дефекта примерно в 2 раза превосходит сигнал от аналогично внутреннего. Закономерность обнаруженного эффекта поясняют картины распределения силовых линий магнитного поля и его тангенциальной составляющей при наличии дефекта с треугольным сечением, представленные на рис. 12. Из них видно, что, действительно, напряженность магнитного поля больше над поверхностью, не содержащей дефекта.
Зависимость Ht,max от угла качественно изменяется при увеличении глубины дефекта h и перехода от внутреннего дефекта к внешнему.
Как следует из рис. 13 для внутреннего дефекта наблюдается максимум Ht,max при = 30... 40. При этом с увеличением h экстремум становится более ярко выраженным и ему соответствуют меньшие значения угла . Следует отметить, что для дефектов с относительной глубиной h% 25 % влияние незначительно, в то же время при h% 50 % изме нения от 30 до 150 приводят к уменьшения Ht,max, по меньшей мере, в 2 раза при линейной зависимости Ht,max().
28 2. Основное содержание работы Рис. 10. Зависимости максимума нормированного приращения Ht,max над внутренним и поверхностным дефектами с треугольным поперечным сечением от приведенной длины для разных значений угла Рис. 11. Сравнение зависимостей Ht,max = Ht,max(Lпр) для внешнего и внутреннего дефектов с треугольным поперечным сечением для разных значений угла и глубины h дефекта 2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД Рис. 12. Распределение силовых линий магнитного поля (слева) и Ht (справа) над внешней и внутренней поверхностями для дефекта глубиной h% = 50 % с углом = 60 Рис. 13. Зависимость Ht,max над внутренним дефектом с треугольным поперечным сечением от для разных значений глубины Для внешних дефектов при h% 25 % Ht,max незначительно возрастает с ростом практически по линейному закону (рис. 13). При h% 50 % имеет место экстремум Ht,max для = 90... 120. С дальней шим увеличением происходит быстрое уменьшение Ht,max.
Проведённый анализ влияния угла при вариации глубины h и длины L дефекта с треугольным поперечным сечением позволил получить ряд важных для идентификации дефектов закономерностей. Обнаружен эффект возможного превышения чувствительности к внешнему дефекту по сравнению с чувствительностью к идентичному внутреннему дефекту. Показано, что изменение угла по разному влияет на максимумы регистрируемых сигналов от внутренних и внешних дефектов, а степень влияния существенно зависит от глубины h.
На основе модели дефекта с треугольным поперечным сечением были рассчитаны диаграммы Ht,max = Ht,max(h, , Lпр). В качестве примера на рис. 14 приведены диаграммы для трубопровода с внешним диаметром Dтр = 1220 мм и толщиной стенки t = 12 мм, содержащего внутренние и внешние дефекты с углами = 10 и 60. На диаграммах 30 2. Основное содержание работы Рис. 14. Диаграммы Ht,max = Ht,max(h, , Lпр) с выделенными областями предельных значений коэффициентов запаса трубы по текучести (нижняя выделенная область) и по прочности (верхняя выделенная область) для внутренних и внешних дефектами с треугольным поперечным сечением (Dтр = 1 220 мм, t = 12 мм, T = 3 мм, H0 = 8 000 А/м) отмечены области при которых сочетание параметров h, и Lпр соответствуют предельным значениям коэффициентов запаса трубы по текучести (нижняя выделенная область) и по прочности (верхняя выделенная область), соответственно. Это позволяет оценить наиболее вероятный диапазон изменения регистрируемого параметра Ht при дефектоскопии магистральных газопроводов. Для оценки влияния вариации глубины дефекта типа трещина и типа канавка вдоль её длины и влияния изменения угла наклона боковых стенок проводились исследования на основе обобщённой расчётной модели.
На рис. 15 приведены зависимости Ht,max = Ht,max(, Lпр) для коротких (L = 35 мм) внутренних и внешних дефектов с прямоугольным (a, b - трещина), треугольным (c, d - раскрывшаяся трещина) и траЦ - пецеидальным (e, f - канавка) продольными сечениями при различных - значениях угла и ширины 2b. Из полученных зависимостей видно, что с увеличением угла величина Ht,max монотонно растёт. При этом степень влияния возрастает с уменьшением длины дефекта, а изменение ширины 2b и формы сечения дефекта заметного влияния на характер 2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД Рис. 15. Зависимости Ht,max = Ht,max(, Lпр) над внутренним и внешним дефектами глубиной h = 6 мм с прямоугольным (a, b - трещина), - треугольным (c, d - раскрывшаяся трещина) - и трапецеидальным (e, f - канавка) - продольными сечениями для различных значений угла и ширины (T = 5 мм, t = 12 мм, H0 = 8 000 А/м) 32 2. Основное содержание работы Рис. 16. Распределение Ht вдоль внутренних и внешних коротких дефектов глубиной h = 6 мм с прямоугольным (a, b - трещина), - треугольным (c, d - раскрывшаяся трещина) - и трапецеидальным (e, f - канавка) - поперечными сечениями для различных значений угла наклона торцевой стенки дефекта и его ширины (T = 5 мм, t = 12 мм, H0 = 8 000 А/м) 2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД Рис. 17. Распределение Ht вдоль внутренних и внешних длинных дефектов глубиной h = 6 мм с прямоугольным (a, b - трещина), - треугольным (c, d - раскрывшаяся трещина) - и трапецеидальным (e, f - канавка) - поперечными сечениями для различных значений угла наклона торцевой стенки дефекта и его ширины (T = 5 мм, t = 12 мм, H0 = 8 000 А/м) 34 2. Основное содержание работы Рис. 18. Распределение Ht поперек внутренних дефектов длиной 35 мм (a) и 100 мм (b) одинаковой ширины глубиной h = 6 мм с прямоугольным (90), треугольным (45) и трапецеидальным (60) поперечными сечениями (T = 5 мм, t = 12 мм, H0 = 8 000 А/м) зависимости от не оказывает.
На рис. 16 приведено распределение Ht вдоль внутренних и внешних коротких (L = 35 мм) дефектов типа узкой трещины с треугольным и канавки с трапецеидальным поперечными сечениями для различных значений угла наклона торцевой стенки дефекта. Параметры контролируемого объекта и условия контроля приведены на рисунке. На рис. приведены аналогичные зависимости, но для длинных (L = 100 мм) тре щин. Так как функции распределения Ht относительно центра дефекта симметричны, графики построены только при положительных значениях оси х, начинающейся от центра дефекта и направленной вдоль него.
Анализ полученных зависимостей показывает, что угол наклона торцевой стенки дефекта в большей степени влияет на внешние дефекты. Большая степень влияния наблюдается для коротких трещин. Плавное изменение угла наклона торцевой стенки, соответствующее уменьшению угла , приводит к уменьшению соотношения сигналов над центром и концом трещины, что вносит дополнительную методическую погрешность при оценке её длины. Величина этой погрешности при изменении от 90 до 20 составляет от 15 % (внутренние дефекты) до 20 % (внешние дефекты) для дефектов длиной порядка 100 мм.
На рис. 18 приведено распределение Ht поперек внутренних дефектов одинаковой ширины глубиной h = 6 мм с прямоугольным ( = 90), треугольным ( = 45) и трапецеидальным ( = 60) поперечными сечениями. Полученные зависимости показывают, что изменение формы поперечного сечения дефекта слабо влияет на форму сигнала, получаемого при перемещении измерительного преобразователя через центр дефекта. Имеются незначительные различия (отношение экстремумов) для коротких трещин, которые исчезают при увеличении длины дефекта.
Для оценки степени искажений формы сигналов при отклонении 2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД Рис. 19. Распределение Ht над внутренними дефектами глубиной h = 6 мм с различными шириной и длиной и соответствующие процентные изменения Ht в области сканирования при изменении углов и наклона боковой и торцевой стенок (T = 5 мм, t = 12 мм, H0 = 8 000 А/м) 36 2. Основное содержание работы a) b) Рис. 20. Поперечное сечение сварного шва a) реальный сварной шов;
b) упрощенная модель сварного шва, предполагающая идентичные магнитные свойства всего металла (линейный случай) стенок дефекта от ортогональных к поверхности трубы, за счёт изменения углов и , проводилось сопоставление соответствующих функций распределения Ht во всей зоне регистрации сигналов. Результаты исследования иллюстрируются зависимостями, приведёнными на рис. 19.
Анализ диаграмм показывает, что для коротких дефектов (длиной 35 мм) наибольшие процентные изменения Ht при уменьшении происходят в зоне центра дефекта. Напротив, для длинных дефектов (длиной 100 мм и более) наибольшие процентные изменения Ht при уменьшении происходят в зоне концов дефекта. При изменении угла наибольшие изменения происходят в зоне центра дефекта независимо от его длины. Полученные зависимости позволяют определить дополнительную погрешность оценки длины дефекта при изменении углов наклона его стенок.
Исследование поля рассеяния от кольцевого шва При магнитной внутритрубной дефектоскопии магистральных трубопроводов, находящихся в эксплуатации, приходится иметь дело с магнитным полем кольцевого поперечного сварного шва, соединяющего трубы в единую нить. С одной стороны, это поле служит помехой для выявления дефектов в стенке трубопровода, с другой стороны, поле сварного поперечного шва служит репером для привязки результатов диагностики к пути, пройденному дефектоскопом. В связи с этим исследование поля поперечного сварного шва важно и для оценки его влияния на форму сигналов от дефектов в околошовной зоне и для координатной привязки результатов дефектоскопии.
Вблизи шва образуются наплывы металла сварочного электрода, происходят изменения состава и структуры металла. Это приводит к неоднородности магнитных свойств. Поскольку диаметр трубы существенно больше толщины стенки, задача моделировалась на плоскости методом конечных элементов с помощью программы ELCUT.
Рассмотрим сначала линейный случай, когда магнитная проницаемости моделируемых участков трубопровода не зависят от Н0. Здесь важно отношение в разных участках трубы. Примем проницаемость 2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД основного металла мет = 100, а проницаемость металла сварного шва св будем варьировать. Примем величину индукции в металле B0 = 1,5 Тл, а рабочий зазор над поверхностью металла T = 5 мм. Если проницаемость материала шва равна проницаемости материала стенки трубы, неоднородность поля вблизи шва будет определяться геометрической неоднородностью участка. Магнитное сопротивление из-за утолщения в зоне шва уменьшается, что приводит к соответствующему изменению тангенциальной составляющей Bt индукции над стенкой трубы на величину порядка 12 % (рис. 21). Из приведённых графиков видно, что поле, обусловленное внутренним металлом шва, более локально. Между тем на практике именно размеры внутреннего валика в большей степени изменяются от шва к шву. Расчёты, выполненные при увеличенной до 7 мм ширине внутреннего валика, показали, что максимальное изменение Bt составило 17 % от индукции B0. Это определяет уровень изменения Bt над сварными швами изЦза технологического разброса ширины внутреннего валика.
Теперь перейдём к рассмотрению случая мет = св. На рис. представлена топография поля шва при разных значениях св для мет = 100. Поле шва при мет св, претерпевает спад по сравнению с участком трубы (кривые 1, 4, 5). При мет > св происходит подъем Bt, имитирующий нарушения сплошности (кривые 2 и 3).
При расчётах, учитывающих нелинейность магнитных свойств, задавались законы намагничивания материалов приведённые на рис. 23.
Представленные здесь характеристики 1 и 2 металлов различаются весьма существенно и имеют, соответственно, максимальные проницаемости Рис. 21. Распределение Bt над Рис. 22. Топография продольной сварным швом в направлении компоненты поля вблизи сварного шва намагничивания. в 5 мм от внутренней поверхности.
1 - поле от шва в целом, Линейный случай.
Ц 2 - поле при наличии только Проницаемость трубы - 100.
Ц - верхнего наплыва, Проницаемость материала шва:
3 - поле при наличии только 1Ц100, 2Ц75, 3Ц50, 4Ц150, 5Ц2нижнего наплыва 38 2. Основное содержание работы a) b) c) Рис. 24. Распределение магнитной проницаемости в среднем сечении стенки трубы вдоль её длины при различных значениях индукции B0 в стенке трубы a) 1,4 мТл, b) 0,825 Тл, с) 1,62 Тл a) b) Рис. 25. Распределение B в середине сварного шва по его высоте при различных значениях индукции B0 в стенке трубы a) 1,4 мТл, b) 1,62 Тл 490 и 390, достигаемые при напряжённостях 1200 и 1400 А/м, и начальные проницаемости 200 и 110.
Результаты расчёта для случая, когда труба изготовлена из материала 1, который намагничивается легче, чем материал шва 2, свидетельствуют, что в слабых намагничивающих полях мет > св, а в больших полях эти проницаемости практически сравниваются. На рис. 24 показана топография магнитной проницаемости вдоль оси трубы в середине стенки при различных значениях средней индукции. Здесь за нуль горизонтальной оси принято среднее сечение сварного шва.
На рис. 25 приведено распределение Bt в середине сварного шва по его высоте при разРис. 23. Графики личных B0. Значение z = 3 мм соответствует намагничивания двух нижней границе валика сварного шва.
материалов Из приведённых зависимостей следует, что поток индукции распределяется по высоте шва крайне неравномерно. Видно, что индукция магнитного потока через нижний наплыв шва в несколько раз меньше индукции в его основном сечении. Очевидно, что материал нижнего валика сварного 2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД a) b) c) Рис. 27. Распределение Вt на расстоянии 5 мм от внутренней поверхности трубы при разных значениях B0 в стенке трубы:
a) 1,4 мТл, b) 0,825 Тл, с) 1,62 Тл шва всегда будет работать в области более близкой к его начальному участку кривой намагничивания. Это иллюстрирует рис. 26, из которого видно, что только в очень слабых намагничивающих полях одинакова по всей толщине шва и близка к начальной, а в средних и сильных полях в разных местах шва может различаться в несколько раз.
Сложная картина распределения магнитных свойств при различных индукциях намагничивающего поля - по вертикальЦ ной и горизонтальной координатам, обусловлена неоднородной зависимостью поля шва от продольной компоненты наблюдения. При малых B0 вблизи шва она претерпевает подъем (рис. 27Цa), при средней индукции имеет как положительные, так и отрицательные выбросы (рис. 27Цb), а в области насыщения наблюдается спад поля вблизи Рис. 26. Распределение шва (рис. 27Цc). Следует отметить, что как по высоте сварного шва при в линейном случае, так и в нелинейном нулевой продольной нижний валик сварного шва создаёт локалькоординате ные отрицательные выбросы поля независимо от величины рабочей индукции.
Внутренний валик сварного шва работает при меньших индукциях, по сравнению со всей толщиной шва, т. е. на участках графика намагничивания, более близких к его началу. Это означает, что даже при значительной индукциии намагничивающего поля, когда проницаемость материала шва в его толще уже испытывает существенный спад, внутренний валик шва работает на участке нарастания проницаемости.
Проведённое исследование позволило выявить основные закономерности его формирования магнитных потоков рассеяния в зоне кольцевого шва. Наличие наплывов металла сварочного электрода (геометрического лусиления шва) способствует втягиванию линий магнитной индукции в тело шва и приводит к спаду продольной компоненты измеряемого поля вблизи шва.
40 2. Основное содержание работы При внутритрубной дефектоскопии основной вклад в результаты измерений вносит внутренний валик шва, так как он расположен ближе к преобразователям магнитного поля. Значительный технологический разброс ширины внутреннего валика вызывает существенное различие в амплитуде поля шва как от стыка к стыку, так и по окружности, что можно использовать для пространственной привязки результатов диагностики.
На формирование поля шва оказывает существенное влияние и отличие магнитных свойств материала шва от свойств материала трубы.
Если материал шва более магнитноЦмягкий по сравнению с материалом трубы, то характерный спад продольной компоненты поля вблизи шва усиливается и наоборот.
Оценка параметров характерных дефектов магистральных газопроводов по результатам внутритрубного неразрушающего контроля Современные внутритрубные снаряды за один проход снимают топографию магнитного поля на внутренней поверхности трубы на расстоянии порядка 100 км и более и с достаточно хорошим разрешением.
Однако надёжных методов обработки данных измерений, определения параметров дефектов до сих пор не разработано. Наиболее серьёзной причиной является огромное вычислительное время, затрачиваемое существующими методами.
Для реконструкции дефектов необходимо решить обратную задачу магнитных полей рассеяния от дефектов. В общем случае такая задача некорректна, т. е. не имеет однозначного решения. Поэтому необходима дополнительная, априорная информация о типе дефекта, тогда задача может иметь однозначное решение. Кроме того, для решения обратной задачи необходимо уметь решать прямую задачу полей рассеяния.
Современные численные методы позволяют это делать, однако необходимость учёта нелинейных свойств магнитных материалов приводит к значительным затратам времени даже при решении прямой задачи, что неприемлемо для обработки больших объёмов информации, имеющих место при внутритрубной дефектоскопии.
Для получения приемлемых для практики алгоритмов решения обратной задачи предложен подход, заключающийся в получении приближенных аппроксимирующих выражений на основе строгого численного решения соответствующих прямых задачи. Предложенный подход проиллюстрируем на конкретном примере построения алгоритма для оценки глубины длинных стрессЦкоррозионных трещин.
Рассмотрим пластину толщиной D0 = 10 мм, помещённую в поле с напряжённостью H0, направленную по оси x. На нижней стороне пластины - прямоугольная трещина глубиной h и шириной 2b. ИнфорЦ мация о дефекте считывается по тангенциальной составляющей Hx при рабочем зазоре T = 4 мм (рис. 28). Кривая намагничивания материала приведена на рис. 29.
Особенности труб для магистральных трубопроводов таковы, что 2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД образующиеся в них стрессЦкоррозионные трещины всегда находятся на внешней стороне трубы, а их глубина никогда не превышает 50 % от толщины трубы. Будем рассматривать только такие трещины в целях сужения области неоднозначности при решении обратной задачи.
Для разработки алгоритма решения обратной задачи прямая задача решалась для различных глубин трещин при заданной ширине и намагничивающем поле H0.
Затем эти решения повторялись с изменёнными параметрами h и Hдля выявления влияния этих параметров на зависимость полей от ширины трещины.
В результате решения прямой задачи рассчитывались изменения тангенциальной составляющей Hх вдоль координаты x для различных значений H0, h и 2b, которые изменялись в диапазонах: 40 < H0 < 300 А/см, 10 < h < 40 %D0, 100 < 2b < 800 мкм. Было установлено, что после нормировки координаты x по толщине пластины D0 Рис. 28. Тангенциальная Ht(x) и нормальная Hn(x) составляющие и изменения (Hх - H0) по величиполя, измеренные на высоте 4 мм над не (Hmax - H0) графики, полученпластиной. Трещина глубиной 40 % и ные при различных сочетаниях H0, раскрытием 0,2 мм, H0 = 14000 А/м h и 2b практически совпадают. Это (результаты расчёта в программе означает, что для рассматриваемых ELCUT) дефектов информативным является только величина Hmax.
Рассмотрим подробнее, как будет изменяться величина Hmax(2b) при заданных величинах h и H0. Анализ результатов расчёта (рис. 30) показал, что полученные зависимости с хорошей точностью аппроксимируются выражением Hmax(b, h) = h0 + h(2b) Рис. 29. Кривая намагничивания Коэффициенты , и в этом выматериала ражении зависят от поля H0. Так, например, при H0 = 140 А/см выражение имеет вид:
1,100h Hmax(b, h) = h0 + 0,58 (2b 106)0,D42 2. Основное содержание работы Рис. 30. Зависимость Hmax - H0 от Рис. 31. Зависимости раскрытия трещины при различной её коэффициентов глубине: h = 10, 20, 30, 40, 50 % толщины , и от Hпластины. Сплошные линии - численное - решение ELCUT Результаты аппроксимации по этому выражению, приведённые пунктирными линиями на рис. 30, показывают хорошее совпадение с исходными зависимостями. Зависимость коэффициенты , и от H0 приведена на рис. 31.
Как видно из полученных выражений, по полям рассеяния можно определять только степенное произведение ширины трещины на её глубину. Причём, чем больше поле H0, тем в большей степени измеряемое поле Hmах зависит от ширины трещины по сравнению с зависимостью от её глубины.
Для проверки полученных результатов проведены измерения на образцах, имитирующих трещины с различным раскрытием. Были изготовлены две пластины размером 120 120 6 мм и одна пластина 120 120 8 мм. С помощью этих пластин имитировалась трещина с различной ширины путём изменения расстояния между малыми пластинами (рис. 32).
Образец намагничивался в поле H0 = 6000 А/м и на расстоянии 4 мм от поверхности большой пластины измерялась распределение тангенциальной составляющей полей рассеяния Ht(x). Используя графики на рис. 28, получили коэффициенты в выражении для случая H0 = 6000 А/м ( = 0,12; = 1,78; = 0,74). Рассчитанная зависимость Hmах от ширины 2b трещины для h = 43 % (рис. 33) с хорошей точностью совпадает с экспериментальными результатами. Экспериментальные графики топографии полей рассеяния в нормированных величинах практически сливаются, так же как и расчётные.
2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД Рис. 32. Имитация трещины с Рис. 33. Экспериментальная варьируемым раскрытием (2b) тремя зависимость Hmaх - H0 от ширины стальными пластинами. Измерение трещины глубиной h% = 43 % при поля рассеяния произведено под Н0 = 6000 А/м нижней поверхностью большой пластины 2.2.3. Повышение информативности ВТД на основе ЭМА метода Опыт эксплуатации снарядов дефектоскопов на основе магнитного контроля показал, что их возможности не позволяют в полной мере выполнить оценку технического состояния газопроводов из-за присущих магнитному виду контроля ограничений. К ним, в частности, относятся:
Х низкая чувствительность к трещинам малой ширины (менее 50 мкм);
Х трудность идентификации сложных дефектов (трещины на фоне общей коррозии);
Х низкая чувствительность к расслоениям без выхода на любую из поверхностей;
Х неоднозначное (вероятностное) определение толщины стенки трубы;
Х недостаточная чувствительность к дефектам в толстостенных трубопроводах (толщина стенки 18 мм в малых и средних диаметров трубопроводов и 30 мм в больших диметрах).
Для повышения достоверности ВТД магнитный вид контроля целесообразно дополнить бесконтактным методом ультразвукового контроля - электромагнитно акустическим (ЭМА) методом. Механические коЦ лебания в трубопроводе создаются путём электромагнитного взаимодействия с ним переменного и постоянного магнитных полей. В одном варианте (рис. 34) силовое воздействие происходит за счёт взаимодействия с постоянным магнитным полем вихревых токов (механизм Лоренца), в другом (рис. 35) - под действием магнитострикционного эффекта.
Ц На рис. 36 приведены зависимости, характеризующие различия между лоренцевским и магнитостркционным механизмами.
44 2. Основное содержание работы Рис. 34. Лоренцевский механизм работы ЭМАЦпреобразователей Рис. 35. Магнитострикционный механизм работы ЭМАЦпреобразователей Лоренцевский механизм получения ультразвука в трубе использует английская фирма PII. Первые испытания снарядаЦдефектоскопа на ЭМА методе для внутритрубной диагностики фирмой PII были начаты в Канаде в 2002 году и не дали положительного результата. Исследования и разработки в этом направлении продолжаются, но получить работоспособный Рис. 36. Различие между снарядЦдефектоскопа на ЭМА мелоренцевским и магнитостркционным тоде фирме PII не удалось.
механизмами Это, по всей вероятности, связано со сложностью защиты источника переменного магнитного поля в виде плоской медной катушки, находящейся в зазоре порядка трёх миллиметровом между постоянным магнитом и трубой. Огромная прижимающая к трубе магнитная сила, накапливающаяся ферромагнитная пыль, удары о валики сварных швов разрушают катушку.
Магнитострикционный механизм возбуждения описывается зависимостю величины магнитострикции от намагниченности:
2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД l 2 = 1 Si i - + 22 SiSjij l S i=x,y,z i =j где: Si, Sj и i, j - направляющие косинусы соответственно вектора наЦ магниченности Bs и направления измерения относительно рёбер куба;
1 и 2 - константы анизотропии магнитострикции, численно равЦ ные 1 = 3/2(s)[100], 1 = 3/2(s), где s = l/l - магнитоЦ [111] стрикция насыщения или магнитострикционная постоянная, (s)[100] и (s)[111] - максимальные линейные магнитострикции соответственЦ но в направлении ребра и диагонали ячейки кристалла При реализации магнитострикционного механизма возбуждения используется катушка с переменным током, расположенная в межполюсном пространстве. За счёт этого она не испытывает значительных механических нагрузок. Принцип намотки катушки, позволяющей создать ультразвуковые волны, показан на рис. 37. На рис. Рис. 37. Катушка излучателя в показана форма импульса для её возвиде меандра буждения.
Тип и мода ультразвуковой волны, возбуждаемой в металле, регулируются частотой тока в возбуждающем импульсе, а длина волны определяется расстоянием между соседними витками меандра катушки.
Проведённые исследования показали, что для создания ультразвуковых колебаний с требуемыми параметрами амплитуда тока должна составлять порядка 60 А при питании от источника с напряжением 200 В. При этом катушка содержит 8 витков медного провода диаметром 0,3 мм с расстоянием между соседними витками меандра катушки порядка 5... 7 мм.
Для приёма ультразвуковых колебаний используется обратное по отношению к магнитострикции явление - магнитоупругий эффект ВиллаЦ ри, заключающийся в изменение намагниченности ферромагнитного образца при деформации. Приёмная катушка по своей форме идентична возРис. 38. Токовый импульс буждающей, но для обеспечения тревозбуждения катушки 46 2. Основное содержание работы Рис. 39. Циркулярный способ ультразвукового прозвучивания трубы буемой абсолютной чувствительности содержит от 100 до 200 витков малого диаметра.
Дефектоскоп первого поколения ЭМАТ, выпущенный в 2007 году, продемонстрировал необходимую чувствительность к стрессЦкоррозионным трещинам, превосходящую чувствительность магнитных дефектоскопов. Вместе с тем, решить задачу идентификации аномалий, связанных с трещинами, на фоне аномалий других объектов, преимущественно неопасных с точки зрения прочности трубопровода (коррозия, расслоения) не удалось. Это связано с тем, что использовался циркулярный метод ультразвукового прозвучивания (рис. 39).
Основное достоинство циркулярного прозвучивания - высокая чувЦ ствительность к продольно ориентированным дефектам с острыми границами, например, трещин по линии сплавления продольного сварного шва и зон стрессЦкорозионного растрескивания. Важна и большая зона прозвучивания излучателей. Фактически один излучатель может просветить всю трубу за исключением небольшого участка непосредственно под ним самим. Размер дефекта (глубину) оценивают по величине отражённого импульса (эхо сигнал), или по отношению величины отражённого импульса к теневому сигналу (эхоЦтеневой метод). Основным параметром пространственной привязки (определения угловой ориентации) выявленных дефектов в используемой компоновке датчиковой системы является время прихода отражённого импульса. К недостаткам циркулярного способа прозвучивания, как показала практика, относится невозможность разделения сигналов от трещин и коррозионных поражений по итоговой дефектограмме.
2.2. Развитие теории и повышение информативности ВТД Рис. 41. Иллюстрация критерия разделения коррозии и трещин.
Дефектограммы, полученные с помощью ЭМАТ (второе поколение) и магнитных TFI и MFL снарядов В 2009 году была предпринята вторая попытка решить указанную проблему во втором поколении ЭМА дефектоскопов. В дефектоскопе второго поколения ЭМАТ реализовано прозвучивание по двум взаимноперпендикулярным направлениям (по аналогии с продольным и поперечным намагничиванием в MFL и TFI магнитных дефектоскопах). Это позволило надёжно Рис. 40. Труба со стрессЦкоррозией и разделять сигналы от дефеккоррозией тов изотропной формы (коррозии) и дефектов анизотропной формы (трещин), что иллюстрируется рис. 40 и 41.
Коэффициент поглощения некоторых типов ультразвуковых волн, зависит от адгезии наружной изоляции. Рис. 42 иллюстрирует принцип определения дефектов адгезии наружной изоляции на основе ЭМА метода. Это позволило проводить оценку адгезии как плёночной, так и битумной изоляции. Это весьма важно, так как по всем обследованным участкам наблюдается корреляции между плохим состоянием наружной изоляции и коррозионной повреждаемостью трубопроводов.
На основе ЭМА метода во внутритрубном снарядеЦдефектоскопе типа ЭМАТ реализована возможность обнаружения и оценки зон концентрации механических напряжений. Здесь используется связь напряжённо деформированного состояния металла с магнитоупругим эф48 2. Основное содержание работы Рис. 42. Влияние дефектов адгезии наружной изоляции трубопровода фектом Виллари. Для регистрации используется ЭМА возбуждение и приём волн Лэмба, распространяющихся в стенке трубы, в относительно слабых магнитных полях.
Проведённые эксперименты показали, что наибольшая чувствительность к упругим напряжения в стали достигается в полях с напряжённостью магнитного поля H 800 А/м, а при H 12 000 А/м упругие свойства стали не проявляются. Для измерения коэффициента концентрации и разности главных механических напряжений создаются две рабочие области с разным магнитным состоянием стенки трубопровода.
В области размещения излучателей требуется H > 12 000 А/м. В области размещения приёмных катушек создаётся H = 800... 6 400 А/м.
Результаты выполненных исследований позволили разработать внутритрубный снарядЦдефектоскоп ЭМАТ, обеспечивающий получение информации, дополняющей результаты магнитного контроля.
2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ 2.3.1. Средства ВТД МГ на основе магнитного метода Очевидно, что при разработке и создании внутритрубного снарядаЦ дефектоскопа необходимо решить огромное количество задач как в научном, так и чисто техническом плане. Конкуренция между фирмами - Ц разработчиками не позволяет получать информацию по большинству затрагиваемых проблем.
В нашей стране для внутритрубной инспекции снарядЦдефектоскоп создавался впервые, а на базе постоянных магнитовЦ впервые в мировой - практике. Это привело к необходимости решения следующих научноЦ технических задач:
2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ Х выбрать принцип поиска коррозионных повреждений и эрозионного износа, которые приводят к утонению стенки трубы, а также поперечных трещин разной длины и глубины;
Х рассчитать, разработать и создать намагничивающую системы на базе постоянных магнитов, обеспечивающую выявляемость дефектов на обеих поверхностях трубы;
Х выбрать наиболее удачный первичный преобразователь магнитного поля и создать конструкцию датчика для съёма информации при его прохождении над полем дефекта, а также решить вопрос расположения и компоновки;
Х разработать и изготовить кассету для датчиков, которая бы обеспечивала контроль всей площади трубы и выдерживала беспрерывный контакт с поверхностью трубы при движении дефектоскопа около 3 м/с, при прохождении расстояния 150 км;
Х разработать систему регистрации сигналов от первичных преобразователей, включая как первичную обработку сигналов, так и приемлемую расшифровку для последующего анализа;
Х провести исследования по выявляемости дефектов в зависимости от марок трубных сталей, конфигурации дефектов, их глубины и длины.
Сложность решаемых задач иллюстрируют следующие примеры.
Система намагничивания Дефекты сплошности металла выявляются при намагничивании трубы до индукции в 1,6 Тл. Это определяет площадь поперечного сечения постоянного магнита в дефектоскопе. Например, у трубы диаметром 1 400 мм с толщиной стенки 25 мм площадь сечения по металлу 0,11 м2.
При использовании постоянных магнитов из ферритЦбария с индукцией 0,15... 0,18 Тл площадь поперечного сечения магнита должна быть не менее 1,1 м2. Максимальный диаметр цилиндрического постоянного магнита диктуется необходимостью размещения в зазоре эластичных магнитопроводных щёток и составляет около 1 100 мм. С учётом 30 % потерь магнитного потока из-за его рассеивания в нерабочей области, получаем гигантский постоянный магнит из феррита бария сечением в 1 м2, длиной около 1,9 м и массой порядка 9 т. Видно, что в дефектоскопах с постоянными магнитами главная проблема - это поиск мощных - магнитов для создания намагничивающей системы, способной дать удовлетворительную намагниченность вдоль оси трубы с любой толщиной стенки при приемлемых массе и габаритах.
Первичные преобразователи (ПП) Напряжённость магнитного поля, создаваемого различными подлежащими выявлению дефектами находится в диапазоне 0,01... 1 А/м.
Для обнаружения таких полей можно использовать феррозонды, индукционные катушки, датчики Холла. Искажение магнитного поля, создаваемое одиночным дефектом, распространяется на площади в 2... 3 см2.
Естественно, ширина рабочей зоны каждого датчика должна составлять 50 2. Основное содержание работы Рис. 43. Схема продольного намагничивающего устройства:
1 - труба, 2 - цилиндрический магнитопровод, 3 - эластичные щётки, - Ц - 4 - пакеты постоянных магнитов, 5 - элемент - Ц Рис. 44. Распределение составляющих магнитного потока:
м - полный; т - полезный; 1 = 2 - через ярмо;
Ц - Ц 3 и 5 - через щётки; 4 - между полюсами внутри трубы - Ц 1... 2 см, а проблема сканирования может быть решена при этих условиях одним из двух способов:
Х сканирование одним или несколькими ПП при их перемещении по винтовой линии;
Х сканирование только при поступательном движении ПП вдоль оси трубы вместе с намагничивающей системой.
Первый вариант практически нереализуем по многим причинам. К наиболее существенным относятся необходимость высокой скорости вращения (10... 20 об/с) и согласования её с линейной скоростью снаряда, быстрый износ ПП, перемещающихся со скоростью более 100 км/ч, при трении о стенку трубы со сварными швами. При поступательном перемещении для сканирования всей поверхности требуется около 200 ПП.
В данном случае необходимо решать задачу регистрации сигналов от большого количества ПП.
Система для продольного намагничивания трубопровода схематично приведена на рис. 43. Проведённые расчёты и физическое моделирование позволили определить основные составляющие магнитного потока, представленные на рис. 44. Установлено, что полезный магнитный поток т составляет около 65 % от полного потока м.
2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ При расчёте намагничивающей системы необходимо обеспечить индукцию B в трубе более 1,6 Тл при минимальной затрате магнитного материала. Работоспособность дефектоскопа должна сохраняться на изогнутых участках трубопровода, причём смещения оснований щёток не должны превышать 20... 30 мм.
Индукции Bт = 1,6 Тл для трубных сталей соответствует напряжённость H0 = 50 А/см, оптимальная для выявления дефектов сплошности.
Установлено, что увеличение индукции Bт от 1,2 Тл до 1,6 Тл, соответствует увеличению H0 от 15... 17 А/см до 40... 60 А/см. При этом отношение приращения H под влиянием дефекта к величине напряжённости намагничивающего поля H/H0 возрастает, а при дальнейшем росте Bт и H0 не изменяется.
Выявление дефектов возможно и при меньших значениях индукции и намагничивающего поля. Однако большое уменьшение Bт и Hнедопустимо, так как снижение индукции B и намагничивающего поля H от значений, соответствующих началу колена кривой намагничивания, приводит к быстрому уменьшению отношения "сигнал/помеха".
Расчёты намагничивающей системы для трёх марок оксиднобариевых магнитов 16БА 190, 22БА 220 и 25БА 150 позволяют выбрать параметры намагничивающей системы близкие к оптимальным. Это иллюстрируется рис. 45 2.44, где приведены зависимости lм = lм(А) для постоянного магнита типа 25БА 150.
Компоновка намагничивающей системы в значительной степени определяет компоновку основных узлов снарядаЦдефектоРис. 45. Кривые lм = lм(А) для скопа. При этом должна быть определения параметров учтена проходимость снарядаЦденамагничивающей системы с фектоскопа по изогнутым участпостоянными магнитами типа 25БА 1кам трубопровода, перекосы снаряда дефектоскопа не должны приводить к появлению ложных сигналов, а намагничивающее поле должно быть однородным в направлении радиуса трубы. СнарядЦдефектоскоп должен надёжно работать при максимальном рабочем давлении перекачиваемого газа P = 7,5 МПа, в диапазоне температур от -40 до +60С.
Воздушные зазоры между элементами магнитной цепи должны быть минимальны, так как они оказывают большое сопротивление магнитному потоку, создают ложные сигналы при вариации и подвержены засорению мусором. Это требование привело к необходимости перехода от многоэлементной компоновки намагничивающей системы к цилиндрической.
52 2. Основное содержание работы Многоэлементная намагничивающая система была разработана и испытана первой. Она состояла из намагничивающих устройств небольшого размера. Каждое такое устройство, получившее название ФбашмакУ, представляет собой независимый дефектоскоп. Он монтируется на подпружиненном рычажноЦшарнирном устройстве и скользит по внутренней поверхности трубы на лыже или катится на колёсах с очень малым зазором между его полюсами и поверхностью трубы. Исследования многоэлементной поисковой секции были проведены на стенде, а испытания - на действующем газопроводе. В результате выявлены недоЦ статки многоэлементной компоновки:
Х помехи, возникающие при переходах башмаков через валики поперечных сварных швов и случайных препятствий;
Х сложность устройства, а отсюда и механическая уязвимость из-за множества рычагов, шарниров и пружин, огромной массы шариковых подшипников;
Х большая масса в сборке (около 1 300 кг);
Х из-за обилия ферромагнитного и немагнитного мусора в трубах требуется радикальная защита всех подвижных частей от пыли и грязи;
Х мусор затрудняет задачу создания плавающих кассет для датчиков полей дефектов;
Х скопление огарков электродов вблизи межполюсного пространства, где расположены датчики, приводит к появлению ложных сигналов.
Обилие мусора устранимо путём тщательной очистки трубопровода перед инспекцией, т. е.
пропуском несколько раз магнитных очистных поршней. Однако остальные обстоятельства заставили решительно отказаться от использования многоэлементной компоновки и перейти к разработке цилиндрической.
Цилиндрическая намагничивающая система представляРис. 46. Принцип построения цилиндрической намагничивающей ет собой цилиндрический пассивсистемы:
ный магнитопровод, на котором 1 - контролируемая труба, - расположены магнитные матери2 - постоянные магниты, - алы, где концевые участки этой 3 - магнитопровод, 4 - щётки, - Ц цилиндрической системы служат 5 - магниточувствительные первичные - полюсами. Магнитный поток от преобразователи, полюсов передаётся на стенку 6 - ласты - трубы через зазор с помощью проволочных щёток из эластичной ферромагнитной проволоки.
2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ Принцип компоновки цилиндрической намагничивающей системы показан на рис. 46. Внутри контролируемой трубы 1 находится схематически представленная намагничивающая система, в которой постоянные магниты 2 уложены на огранённую поверхность цилиндрического магнитопровода 3. Магнитный поток передаётся через эластичные щётки 4, которые изготовлены из ферромагнитной проволоки или тросиков и служат для уменьшения зазора между магнитами и внутренней поверхностью трубы. Датчики полей дефектов 5 смонтированы на концах рычажных или эластичных кассет 6.
Проволочные щётки являются необходимым элементом при использовании цилиндрической намагничивающей системы. Щётки из ферромагнитного материала обеспечивают малое магнитное сопротивление и высокую надёжность связи постоянных магниРис. 47. Система поперечного тов с трубой. Предваринамагничивания дефектоскопа тельно был проведён расчёт магнитного сопротивления щёток при разных коэффициентах заполнения объёма зазора проволоками щёток с учётом кривой намагничивания выбранного материала. Эксперименты подтвердили расчётные результаты, что магнитное сопротивление щёток быстро убывает при увеличении коэффициента заполнения k от 0 до 10 %, а с Рис. 48. Распределение частей дальнейшим увеличением k магнитного потока магнитное сопротивление меняется очень мало. Экспериментально был подобран материал проволок, найден режим их термообработки, а также отработана технология изготовления щёток, которая оказалась очень трудоёмкой.
Аварийность магистральных газопроводов из-за коррозионного разрушения на 2000-й г. достигала 50% от общего количества аварий. Трещины стрессЦкоррозионного происхождения развиваются, как правило, вдоль трубопровода. Это определило необходимость разработки дефектоскопа с системой намагничивания трубы в поперечном направлении.
В результате экспериментальных и теоретических исследований была спроектирована намагничивающая система, представленная на рис. 47.
54 2. Основное содержание работы Для поперечного намагничивания равномерно вдоль образующей цилиндрического магнитопровода размещаются четыре постоянных магнита НЦобразной формы с чередующейся по полярности намагниченностью.
На рис. 48 приведено соответствующее распределение частей магнитного потока.
Задача проектирования состояла в определении размеров магнитов, а также площади сечения щёток, необходимой для намагничивания трубы до индукции B0 1,7 Тл, которая для трубных сталей достигается при H0 10 000 А/м. Для намагничивающих полюсов были использованы постоянные магниты типа NdЦFeЦВ с Br = 0,95 Тл и Hс = 714 кА/м.
На рис. 49 - 51 приведены некоторые экспериментально полученЦ ные зависимости, подтверждающие достоверность выполненных при проектировании расчётов.
Разработка устройства для крепления датчиков оказалось особенно трудной задачей. Это устройство должно скользить буквально по внутренней поверхности трубы, при этом иметь малый износ при скорости около 35 км/ч при разовом проходе 200 км и обеспечивать эффективное измерение магнитного поля дефектов. Подвергаясь ударам о валики поперечных сварных швов, датчики не должны разрушаться, продолжая фиксировать дефекты в зоне шва.
За рубежом были разработаны и запатентованы многие конструкции крепления датчиков, содержащие системы рычагов, шарниров и пружин. Практика показала нежизнеспособность подобных конструкций.
Их главный недостаток - значительный отброс рычагов вместе с датЦ чиками при соударениях с валиками поперечного сварного шва и недопустимо большое время возврата.
После проведения длительных исследований и разработок пришлось полностью отказаться от рычажноЦшарнирных конструкций и перейти на эластичные полиуретановые пластины. В форму для отливки ФблокЦ ластыУ (рис. 52) закладывались первичные преобразователи для региРис. 49. Распределение циркулярной Рис. 50. Распределение циркулярной составляющей Hц вдоль составляющей Hц по внешней образующей трубы окружности трубы 2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ Рис. 51. Расчётные кривые B(H) для Рис. 52. Внешний вид блока различных коэффициентов плотности первичных преобразователей в k заполнения щёток металлом эластичной ласте страции полей дефектов.
Исследования и испытания показали, что полиуретановые блоки первичных преобразователей полностью удовлетворяют всем требованиям:
Х блокЦласта перемещается через валик сварного шва без отбрасывания, не создавая за ним мёртвой зоны;
Х износ рабочей части полиуретановой пластины составляет около 3 мм на 150 км;
Х рабочий ресурс блока легко увеличить, применяя сменные защитные прокладки.
С увеличением скорости Vдв движения снарядаЦдефектоскопа уменьшается степень промагничивания стенки трубы из-за эффекта вытеснения магнитного потока вихревыми токами, плотность которых пропорциональна Vдв. С другой стороны, уменьшение скорости приводит к снижению производительности контроля. Расчёты и опыт эксплуатации магнитных дефектоскопов показывает, что оптимальная величина Vдв = 2 м/с, с диапазоном от 1,5 до 2,5 м/с.
Создание специального режима транспортировки газа для поддержания скорости движения внутритрубных дефектоскопов ведёт к значительному снижению объёмов подачи газа потребителям. Именно эта проблема накладывает серьёзные ограничения на время и сроки проведения работ по внутритрубной диагностике магистральных газопроводов как за рубежом, так и в России. Автоматическое регулирование скорости движения дефектоскопов позволяет проводить внутритрубную диагностику при обычном режиме работы газопроводов.
Регулирование скорости снарядаЦдефектоскопа, движущегося за счёт потока газа, осуществляется байпасным устройством путём изме56 2. Основное содержание работы нения пропуска части потока самими снарядами. Решение этой задачи даёт серьёзное конкурентное преимущество на рынке внутритрубной дефектоскопии. В связи с этим возможные пути реализации конструкции байпасных устройств не опубликованы до сих пор, хотя байпасные устройства различной конструкции применяются в снарядахЦдефектоскопах ведущих фирм более 15 лет.
Необходимость регулировки скорости была установлена по мере накопления опыта эксплуатации снарядов дефектоскопов, выпускавшихся в течение достаточно длительного промежутка времени. В связи с этим была поставлена задача компоновки байпасного устройства в существующие диагностические средства дефектоскопии без Рис. 53. Компоновка байпасного их существенной переделки.
устройства в снаряде дефектоскопе При этом требовалось минимизировать изменения наиболее дорогостоящих, сложных и трудоёмких в изготовлении узлов и элементов конструкции снарядовЦдефектоскопов. На рис. 53 представлена компоновка байпасного устройства, где вместо глухой передней стенки снарядаЦдефектоскопа установлены заслонки 1 байпасного устройства, а в передней части герметичной аппаратурной секции - привод заслонок 2. Как видно, основной узел магнитЦ ного снарядаЦдефектоскопа - ярмо с намагничивающей системой, состоЦ ящей из набора постоянных магнитов и щёток, изготовленных из тросиков, остался без изменений. Не подверглись переделке ходовая часть в виде колёсных блоков, герметичная аппаратурная секция и основная часть электронного оборудования.
При встраивании байпасного устройства подверглись переделкам передний и задний фланцы, чтосвязано с организацией канала для перетока газа через корпус снарядаЦдефектоскопа. При этом была полностью удалена глухая стенка с переднего фланца.
Детальный анализ конструктивных элементов и узлов снарядовЦдефектоскопов позволил провести компоновку и встроить байпасное устройство таким образом, что не потребовалась существенная переделка снарядов. Блок управления электродвигателем, осуществляющим перемещение пластин заслонки, и микропроцессорная система управления байпасным устройством интегрировались в аппаратурную секцию по сбору результатов обследования магистральных трубопроводов.
Результаты выполненных исследований были использованы при разработке и широком внедрении нескольких типов высокоэффективных средств внутритрубной магнитной дефектоскопии. В девяностые годы прошёл полевые испытания новый дефектоскоп магнитный трубный с 2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ 1Цбуферное устройство, 2Цколесный блок, 3Цаккумуляторный блок, 4Цщетки, 5Цкорпус аппаратной секции, 6Цблок преобразователей, 7Цсистема обработки и организации данных, 8Цкорпус, 9Цодометр Рис. 54. Общий вид и типовая схема компоновки снаряда - дефектоскопа с продольным намагничиванием ДМТЦпродольным намагничиванием типа ДМТ на магистральном газопроводе, а на рубеже 1996 - 1997 гг. на базе ЗАО НПО Спектр (Екатеринбург) было создано новое поколение средств диагностики ДМТЦ1 для труб диаметром 1020, 1220 и 1420 мм, не уступающих зарубежным аналогам.
Дефектоскопы были функционально идентичны и предназначены для обследования газопроводов различного диаметра. ДМТ-1 (рис. 54) можно применять для диагностики состояния газопроводов, имеющих следующие характеристики:
Х диаметр трубопровода от 300 до 1420 мм;
Х толщина стенок труб от 7,5 до 25 мм;
Х материал стенок труб - сталь марки 17ГС (или 17Г1С, 17Г1СУ), - 14Г2САФ (или 14ХГС), 09Г2БТ, Х60 (или Х65, Х70) и другие отечественные и зарубежные стали;
Х наименьший радиус изгиба трубопровода 3DN;
Х сужение трубопровода до 0,85DN;
Тип выявляемых ДМТЦ1 дефектов труб и его основные технические характеристики приведены в таблицах 4 и 5.
Анализ результатов обследования магистральных газопроводов и шурфовка предсказанных дефектов дают возможность утверждать, что достоверность диагностики состояния труб достаточно высока. Обобщённые результаты сравнения фактических и оценочных глубин коррозионных дефектов различной конфигурации свидетельствуют, что оценка глубин дефектов выполняется с погрешностью 5 % от толщины стенки трубы, что полностью соответствует требованиям практики. Комплек58 2. Основное содержание работы Таблица 4. Тип дефектов труб, размер, погрешность Погрешность Тип дефектов Размер Глубина Размер Глубина t t 0,6 t 0,8 t 0,25 t Питтинговая 2 t 2 t 0,5 t 0,7 t 0,20 t коррозия 3 t 3 t 0,6 t 0,6 t 0,15 t Общая коррозия 3 t 3 t 0,15 t 0,2 t 0,15 t Поперечные и Раскрытие Глубина В определении глубины ориентированные < 0,05 t 0,3 t 0,40 t под углом трещины Таблица 5. Технические характеристики ДМТЦДиаметр Ед.
трубопровода Параметр изм.
1020 1220 14Скорость движения по трубе м/с до Максимальная длина обследуемого участка км 5Минимальный проходной радиус кривизны DN Минимальное проходное сечение трубы % DN Точность локации дефектов с использованием маркеров через 2 км по периметру трубы град. по длине трубопровода м 0,Толщина стенок труб минимальная мм 8 11 максимальная мм 15 20 Максимальное давление в трубопроводе МПа 5 5 Температурный режим при хранении С -50... + при эксплуатации С 0... + Максимальные перегрузки м/с2 196 (20 g) Масса прибора, не более кг 2500 3500 5Длина дефектоскопа, не более мм 2500 2500 25Метод регистрации информации Аналогоцифровой Метод обработки информации На ПЭВМ Время непрерывной работы ч сы внутритрубной дефектоскопии не дают ложных сигналов о наличии крупного, опасного или катастрофического дефекта.
Недостаток снарядовЦдефектоскопов типа ДМТ - намагничивание - трубы только в продольном направлении. Для надёжного выявления стрессЦкоррозионных повреждений и других дефектов, ориентированных преимущественно вдоль оси трубы, необходима поперечная система намагничивания.
Дефектоскопы внутритрубные продольного типа ДМТ и поперечного типа ДМТП (в зарубежной терминологии TFI) намагничивания различаются устройством намагничивающих систем магнитных секций, 2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ Рис. 55. Внешний вид снарядов дефектоскопов типа ДМТП Рис. 56. Архитектура бортовой системы измерения, контроля и хранения информации 60 2. Основное содержание работы сегментами, ластами, количеством каналов и некоторыми другими узлами. СнарядЦдефектоскоп ДМТП представляет собой сложную сборную конструкцию и состоит из двух магнитных секций (рис. 55), соединённых шарниром.
Намагничивающая система дефектоскопа состоит из высокоэнергетичных постоянных магнитов, стального ярма и гибких стальных щёток.
Намагничивающая система дефектоскопа обеспечивает полное поперечное намагничивание трубы в рабочих областях. Первичные преобразователи магнитного поля (датчики Холла) крепятся блоками в гибких ластах. Магнитные секции закрыты фланцами, на которых закреплены уплотнительные манжеты, буфер, вытяжная петля и фланец с одометрами. На обеих магнитных секциях размещены сегменты, к которым присоединены ласты. Сегменты с помощью гермокабелей соединяются с аппаратурной секцией и блоком регистрации СОРДЦ6 (система обработки и регистрации данных). На задней крышке задней секции находятся два гермоввода наружных гермокабелей, гермоввод одометров, гермоввод ФКонтрольУ для присоединения терминала и базовой маркерной станции перед запуском дефектоскопа, выключатель, датчик давления, предохранительный клапан, отверстие с заглушкой для проверки герметичности.
Архитектура бортовой системы измерения, контроля и хранения информации на примере СОРДЦ6 (рис. 56) приведена для дефектоскопа ДМТПЦ2Ц700.
По трубе дефектоскоп движется под действием давления перекачиваемого продукта. Для уменьшения протечек и лучшего продвижения дефектоскопа имеются уплотнительные полиуретановые манжеты. В целях защиты дефектоскопа от случайных столкновений с препятствиями спереди у него имеется защитный буфер. Для измерения пройденного пути сзади дефектоскопа установлены 4 одометрических колеса. Одометры соединены с аппаратурной секцией.
Аномалии, ориентированные вдоль оси трубы:
канавки, трещины, колонии стрессЦкоррозионных Выявляемые дефекты трещин, ФязыковаяУ коррозия, несовершенства продольных и кольцевых сварных швов, элементы обустройства трубопровода Минимальные размеры выявляемых дефектов в трубопроводе с толщиной стенки t (длинаглубинаширина) Трещина продольная 3 t 0 t 0,2 t Канавка продольная 3 t 0,5 t 0,1 t Погрешности определения размеров Длина дефекта 10 мм Глубина дефекта 0,5 t Погрешности определения положения дефектов Расстояние от кольце5 мм вого шва Угловая ориентация 15 угл. мин 2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ Таблица 6. Технические характеристики дефектоскопа типа ДМТП Значение параметра Параметр ДМТП 2Ц700 ДМТП 2Ц900 ДМТП 2Ц1000 ДМТП 2Ц1200 ДМТП 2Ц14Количество секций 2 2 2 2 Масса, кг, не более 1200(1100) 2000(2000) 2000(2000) 3500(3500) 46Габаритные размеры, мм, не более длина 2860(2860) 3000(2900) 3130(3100) 3160(3160) 23диаметр по манжетам 710(710) 915(915) 1020(1020) 1220(1220) 13диаметр по одометрам 730(730) 930(930) 1117(1117) 1317(1317) 13Расстояние между датчиками по 3,46(4,80) 3,88(5,40) 4,0(6,1) 4,90(7,25) 4,окружности, мм Количество дефектоскопических 640(448) 768(512) 768(512) 768(512) 9каналов, шт.
Диапазон толщины контролируемых 16,0 12,0 8,0 14,0 8,0 15,0 10,0 18,01 15,7 24,стенок, мм Давление продукта в трубопроводе при эксплуатации дефектоскопов, не более:
рабочее 12,0 МПа(120 кгс/см2) пробное 15,5 МПа(150 кгс/см2) Перепад давления, обеспечивающий 0,12 МПа движение и регистрацию дефектов, не более Скорость движения по трубопроводу, м/с 0,5... 3,Оптимальная скорость движения, м/с 2,5 0,Индукция постоянного магнитного поля в пределах, А/м 5 000... 12 0Шаг регистрации данных в продольном направлении, мм 5,Время непрерывной работы от бортового источника питания, ч, не менее:
от аккумуляторной батареи от батареи гальванических элементов 1Длина обследуемого участка трубопровода по ресурсу ходовой части и энергоемкости бортового источника электропитания 3при оптимальной скорости движения дефектоскопов за один проход, км, не менее Основные технические характеристики снарядовЦдефектоскопов с поперечным намагничиванием приводятся в таблице 6. В обозначении дефектоскопов цифра после прописных букв означает количество секций в дефектоскопе. Число после дефиса означает диаметр диагностируемого трубопровода.
Опыт эксплуатации показал, что новые разработки и создание более совершенных снарядовЦдефектоскопов значительно повысили надёжность внутритрубной дефектоскопии и вывели диагностику состояния труб магистральных газопроводов в отрасли на самые передовые мировые позиции.
Для дефектоскопии внутренней поверхности трубопроводов с высоким разрешением разработан, создан и внедрён снарядЦинтроскоп (MFL+).
62 2. Основное содержание работы Таблица 7. Параметры обнаружения и определения размеров дефектов потери металла, расположенных на внутренней поверхности трубы Погрешность определения Минимальная геометрических параметров Тип потери глубина дефекта, дефекта с достоверностью 85 % металла обнаруживаемого с вероятностью 90 % Глубина Длина Ширина Общая коррозия 0,2 мм 0,05 t 10 мм 10 м Каверна 0,5 мм 0,1 t 10 мм 10 м Язва 1,0 мм 0,15 t 10 мм 10 м Вмятина 150 150 мм 3,0 мм 0,25 %DN 20 мм 20 м Вмятина 500 500 мм 6,0 мм 0,5 %DN 20 мм 20 м Рис. 57. Общий вид снаряда-интроскопа MFL+ в сцепке со снарядом-дефектоскопом ДМТ Высокое разрешение достигается как за счёт принципиально новой конфигурации намагничивающего поля, так и за счёт одновременного считывания нескольких компонент магнитных потоков рассеяния. Диагностические снаряды MFL+ работают как самостоятельно, так и в сцепке с другими приборами, в частности с ДМТ (рис. 57).
Технические возможности по выявлению дефектов интроскопом MFL+ приведены в таблице 7 и иллюстрируются сравнительными дефектограммами, полученными дефектоскопами ДМТ, ДМТП и MFL+ (рис. 57).
2.3.2. Средства ВТД МГ на основе ЭМА метода Для повышения достоверности внутритрубной диагностики дополнительно к снарядам - дефектоскопам типа ДМТ (MFL) и ДМТП (TFI) на основе магнитного контроля были разработаны снарядыЦдефектоскопы на основе электромагнитоакустического метода типа ДЭМАТ.
Внутритрубный снарядЦдефектоскоп типа ЭМАТ (рис. 58) позволяет выявлять и оценивать при доверительной вероятности 85 % дефекты типа трещин со следующими параметрами:
2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ Рис. 58. Общий вид ЭМАТЦдефектоскопа в сцепке с очистным поршнем Рис. 59. Нарушение целостности изоляционного покрытия (а - ЭМАТ - снаряд), сопровождаемое появлением коррозии (b - TFI снаряд), - и состояние изоляции на вскрытой трубе (c) Х минимальная глубина в основном теле трубы................ 1 мм;
Х минимальная глубина в продольном сварном шве............ 2 мм;
Х минимальная длина......................................... 20 мм;
Х ориентация к оси трубы..................................... 20;
Х наклон к поверхности трубы........................ от 40 до 90;
Х погрешность определения длины трещины длиной < 100 мм.......................................... 10 мм;
Х разрешающая способность в циркулярном направлении................................................. 25 мм.
Статистические исследования по результатам совместной обработки данных ЭМАЦтехнологии и магнитной дефектоскопии показали, что снаряд типа ЭМАТ совмещает в себе все возможности снарядаЦдефектоскопа, предназначенного для выявления стрессЦкоррозионных трещин на ранней стадии.
Внутритрубный снарядЦдефектоскоп типа ЭМАТ при контроле толстостенных трубопроводов на локальное утонение имеет технические возможности, приведённые в таблице 8.
СнарядомЦдефектоскопом типа ЭМАТ с доверительная вероятностью обнаружения 85 % выявляются дефекты адгезии наружной изоляции с площадью более 100 см2, со следующими минимальными размерами:
Х вдоль направления оси трубы,...................... длиной 60 мм;
64 2. Основное содержание работы Таблица 8. Характеристики по обнаружению и оценке параметров дефектов потери металла снарядомЦдефектоскопом типа ЭМАТ Погрешность определения Минимальная Характеристика геометрических параметров глубина дефекта, дефекта дефекта с достоверностью 85 % обнаруживаемого (длинаширина) с вероятностью 90 % Глубина Длина Ширина Общая коррозия (4 t 4 t) 0,05 t 1,0 t 1,0 t 0,05 t Каверна (2 t 2 t) 0, t t 1,0 t 1,0 t 0,1 t Язва (0,5 t 0,5 t) 0,15 tм 1,0 t 1,0 t 0,15 t Х поперёк направления оси трубы,................. шириной 100 мм.
Минимальная разность значений амплитуды кольцевых механических напряжений в зонах их концентрации составляет от 0,1 при 85 % уровне вероятности обнаружения. Минимальные размеры зон концентрации механических напряжений при 85 % уровне вероятности обнаружения:
Х длина........................................................ 30 мм, Х ширина...................................................... 30 мм.
Точность определения размеров зон концентрации механических напряжений при 85 % уровне вероятности обнаружения:
Х амплитуда.................................................. 10 % t, Х длина........................................................10 мм, Х ширина...................................................... 10 мм.
Максимальное сужение внутреннего диаметра трубопровода для проходимости дефектоскопа ДЭМАТ - 0,85 DN. Максимальный раЦ диус изгиба трубопровода для проходимости дефектоскопа ДЭМАТ - Ц 2,5 DN. Энергообеспечение работы дефектоскопа ДЭМАТ производится от аккумуляторной батареи или от аккумуляторной батареи с генератором дополнительной подзарядки. Максимально допустимое давление в трубопроводе 12 МПа.
Были разработаны и внедрены две версии внутритрубных дефектоскопов ДЭМАТ G2(2007) и ДЭМАТ G3(2009) отличающиеся числом каналов для регистрации соответствующих параметров и потребляемой мощностью:
Параметр ДЭМАТ G2(2007) ДЭМАТ G3(2009) Число каналов для регистрации:
трещин 16 1зон отслоения изоляции 16 контроля целостности данных 16 Потребляемая мощность, кВт 1,4 8,2.4. Разработка высокоэффективной технологии ВТД 2.4. Разработка высокоэффективной технологии ВТД Проведения внутритрубной дефектоскопии невозможно без операций предварительной подготовки магистрального газопровода, составляющих вместе с собственно дефектоскопией единый технологический процесс. Для этой цели разработан комплекс вспомогательных средств внутритрубной дефектоскопии (рис. 60), включающий: скребок очистной (СО), снарядЦкалибр (СК), магнитный очистной поршень (МОП), снарядЦпрофилемер рычажного трубного (ПРТ) или электронного типа (ПЭТ).
Согласно разработанной технологии, сначала проводится очистка трубопровода скребком или скребкомЦкалибром от грязи и посторонних предметов. При этом определяется минимальное проходное сечение в трубопроводе на всем обследуемом участке. Если снарядыЦдефектоскопы пропускаются на данном участке впервые, то могут потребоваться несколько пропусков очистных скребков. Выбросы производятся через свечу камеры приёма, для предотвращения ухода собранной грязи по трубе обвязки дальше в газопровод. При повторной инспекции (через несколько лет) данного участка газ уходит по трубе обвязки в магистральный газопровод без потери.
Если снарядыЦдефектоскопы пропускаются на данном участке впервые, то необходим запуск снарядаЦпрофилемера для получения дополнительной информации о внутренней геометрии трубы по длине трассы.
В частности, профилемер выявляет искажения сечения типа локального сужения трубопровода, овальности, выпуклости, вмятины, гофры, определяет наименьший радиус изгиба. В местах, где обнаружены такие дефекты, препятствующие прохождению снарядовЦдефектоскопов, производится шурфовка трассы и устранение дефектов.
Следующая операция подготовки газопровода к обследованию - Ц пропуск магнитного очистного поршня (МОП), который, наряду с очисткой трубопровода, производит магнитную подготовку металла трубопровода. Эта операция необходима для качественной регистрации дефектов Рис. 60. Снаряд - профилемер электронного типа (a) и скребки очистные (b) - 66 2. Основное содержание работы во время пропуска снарядаЦдефектоскопа. В передней части МОП установлены скребки для более эффективной очистки не только от ферромагнитного мусора, но и от грязи за счёт притягивания поршня магнитным полем к стенке трубопровода, так как отложения в нижней части трубы могут приводить к искажению результатов инспекции. Критерием качественной очистки трубопровода магнитным очистным поршнем является вынос по ферромагнитному мусору около 3... 5 кг и не более 10... 15 кг грязи. При выполнении этих условий МОП больше не пропускают.
Запасовка в камеру (рис. 61) снарядов осуществляется на лотках в камеру запуска, лоток остаётся в камере, а снаряд уходит в трубопровод. Аналогичная операция производится и в приёмной камере: прибывший снаряд с лотком достаётся из расширителя и перекладывается на транспорт, а лоток возвращается в приёмную камеру для следующего снаряда.
Практика внутритрубной дефектоскопии магистральных газопровоРис. 61. Запасовка снаряда дов показывает, что наибольшее влидефектоскопа в камеру запуска яние на качество внутритрубного обследования состояния металла труб оказывают мусор и отложения в полости трубопровода и на его стенках: вода, ил - отложения после гидроиспытаний, песок, чёрная грязь - Ц - смесь песка с маслом, продукты коррозии, огарки электродов и другие металлические остатки. При этом есть чёткая зависимость количества пропусков и массы выносимой грязи от первой внутритрубной инспекции и последующей, которая проводится после нескольких лет эксплуатации трубопровода. Существует также зависимость количества мусора от диаметров инспектируемых магистральных газопроводов.
Последней операцией является пропуск снарядовЦдефектоскопов, типа ДМТ или типа ДМТП. Результаты контроля фиксируются в памяти с координатной привязкой. Погрешность измерения координаты составляет не более 0,1 %.
Все выявленные дефекты классифицируются по степени опасности.
Оценка опасности выявляемых дефектов может производиться по любому из трёх стандартов:
Х ВРД 39Ц1.10 004Ц99. Методические рекомендации по количественной оценке состояния магистральных газопроводов с коррозионными дефектами, их ранжирование по степени опасности и определению остаточного ресурса. М.: ОАО Газпром, 2000;
Х ASME В31/G Determining Remaining Strength of Corroded Pipelines: Supplement to B31 Code-Pressure Piping, 1991;
2.5. Метрологическое обеспечение средств ВТД Х DNVRPЦF101. Corroded Pipelines, Det Norske Veritas, 1999.
Предпочтение при оценке опасности дефектов коррозионного типа отдаётся стандарту DNVRPЦF101. Оценка опасности выявленных дефектов носит рекомендательный характер для принятия решений газотранспортными предприятиями по очерёдности и срокам проведения ремонта.
Заканчивается дефектоскопия участка заключительным отчётом диагностики и рекомендациями по очерёдности ремонта трубопровода, который часто предусматривает вырезку катушки трубы с дефектом стрессЦ коррозии.
После проведения комплекса мероприятий магнитного неразрушающего контроля газопровода материал стенки трубы остаётся намагниченным, что существенно осложняет ремонтноЦсварочные работы. Магнитная подготовка трубы является неотъемлемой частью сварочного процесса и заметно сказывается на скорости проведения сварочных работ.
На базе ЗАО НПО Спецнефтегаз разработан двухсекционный размагничиватель, позволяющий снизить напряжённость магнитного поля до 50 А/см и менее. Выполненные исследования показали, что качество размагничивания существенно зависит от скорости движения из-за возникающих в трубопроводе вихревых токов. Оптимальный режим движения составляет 2 м/с и обеспечивается байпасом. На основе проведённых исследований разработан поршень размагничивающий магнитный типа ПРМ1БЦ1400, предназначенный для работы на трубопроводах диаметром 1420 мм. Он имеет три ряда магнитных полюсов, цель которых постепенно увеличивать дробление остаточной намагниченности.
СнарядыЦразмагничиватели типа ПРМ выпускаются для различных диаметров магистральных трубопроводов и существующих в отрасли отводов к городам страны, которые обеспечивают уровень размагничивания, позволяющий проводить последующие ремонтноЦсварочные работы без применения какихЦлибо дополнительных размагничивающих устройств.
2.5. Метрологическое обеспечение средств ВТД Для контроля нормируемых параметров при проведении испытаний дефектоскопов создан стандартный образец СО МАГЕОС в виде трубы с нанесёнными в определённой последовательности несквозными отверстиями различного диаметра, глубины и формы, имитирующими реальные дефекты на трубопроводах.
При аттестации СО необходимо решить следующие задачи:
Х установление соответствия магнитных характеристик материала СО материалам реальных трубопроводов;
Х определение выявляемости дефектов различной конфигурации;
68 2. Основное содержание работы Рис. 62. Внешний вид испытательного стендаЦстандартного образца Х определение погрешности измерений геометрических размеров искусственных дефектов;
Х определение погрешности измерений магнитной проницаемости;
Х обработка результатов измерений;
Х присвоение значений магнитной проницаемости, геометрических параметров и погрешности СО МАГЕОС.
СО представляет собой отрезок трубопровода (ГОСТ Р 52079Ц2003) из низколегированной малоуглеродистой стали длиной 30283 мм, диаметром 1420 мм, толщиной стенки 17 мм. На трубопроводе с наружной и внутренней сторон поверхности нанесены локальные неоднородности (искусственные дефекты) различной формы и размеров (рис. 62, Таблица 2.9).
Для аттестации стандартного образца СО МАГЕОС применялись следующие проверенные средства измерений: рулетка 5 и 20 м (цена деления 1,0 мм), штангенциркуль, штангенциркуль со специальным щупом или штангенглубиномер, набор щупов, измерительная металлическая линейка длиной 1 м (цена деления 1 мм). Аттестация проводилась при условиях: температура окружающей среды: 20 10С; относительная влажность воздуха: 6020 %. Последовательно проводили измерения диаметра и глубины искусственных дефектов типа отверстий, а также расстояния между отдельными дефектами в группе дефектов. Для измерения диаметра дефектов использовали штангенциркуль, а для расстояния между дефектами - линейку, для измерения глубины дефектов - использовали штангенциркуль со специальным щупом или штангенглубиномер.
Методика проведения метрологической аттестации Магнитные измерения (снятие основного графика намагничивания) проводились на образцах, изготовленных из трубы стали марки Х70 в форме тороидов с внутренним и наружным диаметром 46 и 60 мм соответственно и толщиной 10 мм. Измерения основного графика намагничивания и обработка результатов измерений проводились на баллистической установке БУЦ3 в соответствии с ГОСТ 8.377Ц80. Метрологические характеристики СО приведены в таблицe 10.
Стандартный образец магнитных свойств трубопровода с локальными неоднородностями СО МАГЕОС включён в Государственный ре2.5. Метрологическое обеспечение средств ВТД Таблица 9. Геометрические характеристики искусственных дефектов Интервалы допустимых Характеристика аттестованных значений, мм Круглые:
d - диаметр 2,0... 1Ц h - глубина 1,6... - 1Ц расстояние между отдельными дефектами 4,0... 15Ц Щелевидные:
a - длина 20... 2Ц b - ширина 0,3... - h - глубина 3,5... - 1Ц расстояние между отдельными дефектами 10... 3Ц Овальные:
dmin - длина 49... - dmax - ширина 50... - h - глубина 2,2... - Прямоугольные:
a - длина 35... 1Ц b - ширина 35... - h - глубина 1,4... - Таблица 10. Метрологические характеристики СО Интервалы Границы допусдопускаемых Характеристика каемых значений аттестованных погрешности значений, мм Магнитная проницаемость при 30... 500 Отн. 15 % индукции 1,5 Тл Геометрические характеристики таблица 2 Абс. 0,искусственных дефектов 3 000... 50 000 Абс. Местоположение искусственных 0... 360 Абс. 0,дефектов и СО (от вертикали) естр СО под №8563-2004. В паспорте СО приведены параметры дефектов аттестованных характеристик СО (таблица 10).
Для выполнения,задачи,контроля,магистральных,газопроводов необходим, дополнительный, выпуск все новых средств контроля. Выпуск стандартных образцов, моделирующих свойства контролируемых трубопроводов и одновременно являющихся средствами измерений, которые воспроизводят размеры величин, подлежащих измерениям при выполнении контроля, позволит наилучшим образом организовать метрологическое обеспечение названных средств контроля (внутритрубных дефектоскопов). Таким образом, при относительно низких затратах на создание СО будут повышены достоверность контроля и надёжность эксплуатации газопроводов.
Основные выводы и результаты 1. На основании статистического анализа повреждений отечественных и зарубежных газопроводов за 30 - 40 лет их эксплуатации определены основные механизмы их разрушения, установлены и классифицированы по степени опасности характерные типы дефектов, определены возможности их выявления и дефектометрической оценки различными методами неразрушающего контроля. Показано, что наибольшую опасность представляют повреждения и разрушения, связанные с коррозионным растрескиванием металла под напряжением (стрессЦкоррозией).
2. Для выбранного основным магнитного контроля предложена обобщённая расчётная модель дефектов типа трещин и коррозионных поражений газопровода в виде паза конечной длины и глубины с трапецеидальным продольным поперечным сечением и показана необходимость учёта нелинейности магнитных свойств металла трубопровода и их незначительное различие для сталей разных марок, применяемых в газопроводах.
3. На основе проведённого анализа топографии магнитных потоков рассеяния над характерными для магистральных трубопроводов дефектами при различных режимах намагничивания научно обоснованы и определены наиболее информативные параметры для внутритрубной дефектоскопии газопроводов.
4. Разработаны алгоритмы дефектометрической оценки параметров выявленных при внутритрубной магнитной дефектоскопии дефектов с использованием приближенных аппроксимирующих выражений и определены предельные возможности магнитного вида контроля магистральных трубопроводов при внутритрубной дефектоскопии. Установлено, что трещины любых размеров могут быть идентифицированы по своей длине и произведению глубины на эквивалентную ширину и надёжно выявляются при их глубине более 0,05 t. Показана целесообразность выполнения цилиндрической намагничивающей системы с полым цилиндрическим магнитопроводом, для продольного намагничивания постоянные магниты размещаются на его концевых участках симметрично относительно оси цилиндра, а для поперечного равномерно вдоль образующей магнитопровода размещаются четыре постоянных магнита НЦобразной формы с чередующейся полярностью.
5. Показано, что для повышения достоверности ВТД магнитный вид контроля целесообразно дополнить электромагнитно акустическим (ЭМА) методом. Проведённые исследования показали, что ЭМА метод позволяет в значительной степени уменьшить ограничения, присущие магнитному контролю и дополнительно оценивать состояние наружной изоляции газопроводов, измерять коэффициент концентрации и градиенты разности главных механических напряжений. Установлено, что при Основные выводы и результаты измерениях ЭМА методом наибольшая чувствительность к упругим напряжениям в стали достигается при напряжённости магнитного поля H < 8 000 А/м. Показано, что ЭМА методом могут измеряться коэффициент концентрации и разности главных механических напряжений в металле газопровода. для этого достаточно создать две рабочие области - одну с напряжённостью магнитного поля H > 12 000 А/м, а вторую с H = 800... 6 400 А/м и определить соответствующие разности ЭМА сигналов.
6. Проведены исследования различных факторов, влияющих на выявляемость характерных для магистральных газопроводов дефектов при магнитной внутритрубной дефектоскопии.
7. Разработана концепция построения снаряда - дефектоскопа для внутритрубной магнитной дефектоскопии с намагничивающей системой на постоянных магнитах, которая включает общую компоновку снаряда - дефектоскопа, применение дополнительного к продольному поперечного намагничивания, оптимизацию системы первичных преобразователей, применение новых байпасных систем автоматического регулирования скорости движения снарядаЦдефектоскопа в пределах 1,2... 2,5 м/с.
8. Разработан ряд серийно выпускаемых магнитных снарядовЦдефектоскопов типа ДМТ и ДМТП, электромагнитный акустический внутритрубный дефектоскоп типа ДЭМАТ позволяющий дополнительно надёжно выявлять трещины с глубиной до 1 мм, длиной до 20 мм и шириной до 10 мкм, определять зоны утонения стенок трубопровода, выявлять с вероятностью 85 % зоны отслоения изоляции площадью более 100 мм2, выявлять и оценивать концентрации механических напряжений с вероятностью 85 % зоны 30 30 мм с уровнем кольцевых механических напряжения 0,1 .
9. Разработана технология внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов на основе созданных и сертифицированных в России и за рубежом снарядовЦдефектоскопов и вспомогательных средств:
скребка очистного, снаряда калибра, магнитного очистного поршня, снарядаЦпрофилемера рычажного трубного, камер запуска и приёма внутритрубных средств дефектоскопии. Разработанные снаряды - дефектоскопы и очистные устройства имеют высокую надёжность и способны обследовать более 1 500 км трубопроводов без ремонтов и замен. Для обнаружения и измерения параметров дефектов, выходящих на внутреннюю поверхность трубопровода разработан и внедрён снарядЦинтроскоп (MFL+), позволяющий упростить при магнитной дефектоскопии разделение сигналов от дефектов с внутренней и внешней поверхностей трубопровода.
10. Разработан и аттестован стандартный образец с характерными дефектами для метрологического обеспечения средств внутритрубной дефектоскопии.
11. На основе разработанных средств и технологий внутритрубной дефектоскопии обследовано более 160 000 км магистральных трубопроводов в России и за рубежом при достигнутом ежегодном объёме контроля 72 Основные выводы и результаты 20 000 км трубопроводов разных диаметров. За это время выявлено более 3 миллионов опасных дефектов, развитие которых грозило разрушением с аварийными последствиями.
Список научных трудов 1. Канайкин В. А., Вайсберг П. М. Комплексная система диагностики и технической инспекции газопроводов России.// Безопасность трубопроводов: Международная научно-практическая конференция. - М., - 1995. - С. 12 - 24.
Ц - 2. В. А. Канайкин, П. М. Вайсберг, П. Ю. Кулиниченко и др. Элементы реализации комплексной системы диагностики и технической инспекции газопроводов. // Диагностика - 96. Шестая международная - деловая встреча. Ялта, 1996. - С. 69 - 79.
Ц - 3. В. А. Канайкин, А. В. Балдин, Б. В. Будзуляк и др. Анализ причин коррозионного растрескивания труб магистральных газопроводов.
// О.И.ВНИИТЭИ Газпрома. Серия: Коррозия и зашита сооружений в газовой промышленности. -М., 1996. - 40 с.
Ц 4. Канайкин В. А. Анализ причин разрыва труб МГ.// Газовая промышленность. - 1996. - № 6. - С. 28 - =39.
Ц - Ц - 5. Канайкин В. А. Оценка эффективности проектов в газовой промышленности // Газовая промышленность. - 1996. - № 6. - C. 47 - 50.
Ц - Ц - 6. Канайкин В. А., Матвиенко А. Ф. Разрушение труб магистральных газопроводов. Екатеринбург, 1997. - 102 с.
Ц 7. Вайсберг П. М., Канайкин В. А. Опыт разработки и реализации комплексной системы диагностики линейной части магистральных газопроводов. Восьмая международная деловая встречаДиагностикаЦ98,Сочи, 1998, т. 1. - С. 68 - 75.
Ц - 8. Матвиенко А. Ф., Балдин А. В., Канайкин В. А. Коррозионное растрескивание под напряжением сталей магистральных газопроводов.
Аварийные разрушения// Физика металлов и металловедение. - 1998. - Ц - том 86. - вып. 2. - С. 139 - 146.
Ц - Ц 9. Матвиенко А. Ф., Сарагадзе В. В., Канайкин В. А. Коррозионное растрескивание под напряжением сталей магистральных газопроводов. О взаимодействии механических свойств и сопротивлении КРН// Физика металлов и металловедение. - 1998. - том 86. - вып. 2. - С. 147 - 155.
Ц - Ц - Ц 10. Ремизов В. В., Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф. Принципы формирования информационноЦаналитической системы контроля и диагностики технического состояния магистральных трубопроводов // Девятая международная деловая встреча Диагностика - 99, Сочи, 1999, т. 1. - Ц - С. 47 - 53.
Ц 11. Канайкин В. А. СтрессЦкоррозионные повреждения магистральных газопроводов. - Екатеринбург, 1999. - 190 с.
Ц - 12. Канайкин В. А., Зенин Е. И., Патраманский Б. В. О достоверности результатов диагностики газопроводов внутритрубными магнитными дефектоскопами. // Девятая международная деловая встреча Диагностика - 99, Сочи, 1999, т. 2. - С. 32 - 37.
Ц - Ц 74 Список научных трудов 13. Махутов Н. А., Чабуркин В. Ф., Канайкин В. А. Защита трубопроводных систем от аварий и катастроф. // Третья международная конференция ФБезопасность трубопроводовУ, Москва, 1999, т. 1.Ц С. 22Ц 33.
Ц - 14. Канайкин В. А. Актуальные проблемы и пути повышения безопасности трубопроводных систем. - М., МГУ, 1999. - 60 с.
Ц - 15. Чабуркин В. Ф., Канайкин В. А. Основные направления и резервы повышения эффективности диагностического обеспечения магистральных трубопроводов. // Третья международная конференция "Безопасность трубопроводов Москва, 1999, т. 1. - С. 133 - 138.
Ц - 16. Канайкин В. А. Модель эксплуатации трубопроводов по ресурсу элементов и вспомогательного оборудования. // Третья международная конференция ФБезопасность трубопроводовУ,Москва, 1999, т.2.Ц С. 105-107.
Ц 17. Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф. Очаги отказов и выбор методов диагностики газо-нефтепроводов. // 15 Российская научноЦтехническая конференция ФНеразрушающий контроль и диагностикаУ, Москва, 1999, т. 1. - С. 143.
Ц 18. Chaburkin V. F., Kanaikin V. A. Assessment of serviceability of gas and oil pipeline weldments by the results of diagnostic examination. / Doc. IIW XI-715/99, V-1148/99, 14 p.
19. Канайкин В. А., Мирошниченко Б. И., Патраманский Б. В. Опыт проведения внутритрубной диагностики газопроводов ОАО Газпром.
Производственным объединением Спецнефтегаз. // Девятая международная деловая встреча ДиагностикаЦ 99, Сочи, 1999, т. 2.Ц С.69Ц 72.
Ц - Ц 20. Чабуркин В. Ф., Канайкин В. А. Эксплуатация трубопроводов по техническому состоянию с учетом критерия Фтечь перед разрушениемУ // Третья международная конференция "Безопасность трубопроводов Москва, 1999, т. 1. С. 76 - 81.
Ц 21. Сарагадзе В. В., Матвиенко А. Ф., Канайкин В. А. Особенности повреждения металла труб магистральных трубопроводов по механизму КРН в околошовной зоне. // Проблемы диагностики КРН и научнотехнические решения по определению дефектных участков газопроводов. - М., 1999. - С. 38 - 22. Kanaikin V. A., Chaburkin V. F., Patramanskiy B. V. Intra-pipe diagnostic of main pipelines. / Doc IIW V-1152/00.
23. Kanaikin V. A., Chaburkin V. F. Conception of defect acceptability norms creation for weldments of gas and oil main pipelines by results of a diagnostic in operation. / Doc IIW V-1152/00, 6 p.
24. Чабуркин В. Ф., Канайкин В. А. Оценка опасности дефектов сварных соединений при диагностике нефте-газопроводов // Сварочное производство. - 2000. - № 8. - С. 41 - 44.
Ц - Ц - 25. Канайкин В. А. Диагностика магистральных газопроводов внутритрубными дефектоскопами // НаучноЦтехнический сборник Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация. - 2000. - № 1. - С. 47 - 55.
Ц - Ц - 26. Чабуркин В. Ф., Канайкин В. А. Эксплуатация трубопроводных систем Фпо техническому состояниюУ // Десятая международная деловая Список научных трудов встреча Диагностика - 2000, Кипр, 2000, т. 1. - С. 49 - 53.
Ц - Ц 27. Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф., Нащубский В. А. Концепция и методология создания информационно-аналитической системы диагностического обеспечения магистральных газопроводов. // Десятая международная деловая встреча Диагностика - 2000, Кипр, 2000, т. 2. - Ц - С. 49 - 53.
Ц 28. Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф. Информационно-аналитическое и нормативное обеспечение диагностики газопроводов // Технология машино-строения. - 2000. - № 4. - С. 56 - 59.
Ц - Ц - 29. Канайкин В. А. Стратегия обеспечения безопасности систем магистрального транспорта газа с помощью средств неразрушающего контроля // Современные методы и средства защиты и диагностики трубопроводных систем оборудования. - Москва, 2000. - С. 49 - 51.
Ц - Ц 30. Канайкин В. А. Диагностика коррозионных повреждений магистральных газопроводов. - М., МГТУ, 2000. - 115 с.
Ц - 31. Чабуркин В. Ф., Канайкин В. А. Эксплуатация трубопроводных систем по техническому состоянию // Десятая международная деловая встреча Диагностика-2000, Кипр, 2000, т. 1. - С. 49 - 53.
Ц - 32. Канайкин В. А., Лоскутов В. Е., Мирошниченко Б. И. и др. Анализ результатов разработки и внедрения первого отечественного магнитного снарядаЦдефектоскопа для выявления стрессЦкоррозионных и продольных трещин. // Десятая международная деловая встреча Диагностика - 2000, Кипр, 2000, т. 2. - С. 182 - 186.
Ц - Ц 33. Канайкин В. А., Мирошниченко Б. И., Лоскутов В. Е., Патраманский Б. В. Магнитный снарядЦдефектоскоп для обнаружения продольных трещин в магистральных трубопроводах // Безопасность труда в промышленности. - 2000. - № 9. - С. 30 - 34.
Ц - Ц - 34. Канайкин В.А, Горелик А.Л., Ташкеев Л.Л., Терентьев Ю.К.
Дистанционный контроль и диагностика магистральных трубопроводов // Наука и техника в газовой промышленности.Ц 2000.Ц № 1.Ц С. 44Ц 47.
Ц - Ц - 35. Канайкин В.А. Безопасность России. Безопасность трубопроводного транспорта. М.: МГФ "Знание". - 2002. - С. 579 - 601.
Ц - Ц 36. Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф. Внутритрубная диагностика стресс-коррозионных повреждений магистральных газопроводов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2003. - № 2. - с. 43 - 44.
Ц - Ц - 37. Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф., Баренбойм И. И. Оценка технического состояния и оптимизация ремонтов по результатам диагностики магистральных газопроводов// Сборник докладов Второй международной конференции Обслуживание и ремонт газонефтепроводов, ОАЭ, Дубай, 2004, Вып. 2, - с. 3 - 8.
Ц - 38. Канайкин В. А. Общие и стресс-коррозионные повреждения, выявляемые внутритрубной дефектоскопией на магистральных газопроводах. - Екатеринбург: Банк культурной информации. 2004. - 368 с.
Ц - 39. Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф. Комплексная диагностика - основа обеспечения безопасности МТ // Газовая промышленность.2005.- №8.-с. 20-76 Список научных трудов 40. Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф., Баренбойм И. И. Комплексная диагностика и прогнозирование ресурса магистральных трубопроводов // Сборник докладов КитайскоЦРоссийского научно - технического - симпозиума, Китай, Пекин, 2005, с. 237 - 243.
Ц 41. Канайкин В. А., Лоскутов В. Е., Патраманский Б. В. Опыт эксплуатации внутритрубных снарядов и перспективы развития магнитной дефектоскопии трубопроводов // Пятнадцатая международная деловая встреча Диагностика - 2005, Сочи, 2005, т.1. - С. 111 - 117.
Ц - Ц 42. Chaburkin, V. F., Kanaykin, V. A., Budzuliak, B. V. Providing reliability of trunk gas pipelines operation on the basis f in-line inspection results // 23rd World Gas Conference, Amsterdam, 2006, WOC 3.3 EF.0111p. (электронная версия) 43. Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф. Новые возможности и перспективы внутритрубной диагностики магистральных газопроводов // Наука и техника в газовой промышленности. - 2006. - № 2. - с. 21 - 24.
Ц - Ц - 44. Канайкин В. А. Диагностика состояния труб магистральных газопроводов метод (1)ом внутритрубной магнитной дефектоскопии.Ц ЕкаЦ теринбург: Банк культурной информации. 2006. - 176 с.
Ц 45. Канайкин В. А., Чабуркин В. Ф., Пахомов В. П. Опыт и перспективы мониторинга технического состояния МГ на основе внутритрубной диагностики // Газовая промышленность. - 2006. - № 10. - с. 18 - Ц - Ц - 46. Канайкин В. А., Лоскутов В. Е., Матвиенко А. Ф., Патраманский Б. В. СнарядЦинтроскоп для обследования магистральных газопроводов // Дефектоскопия, 2007. № 7. с. 3 - Ц 47. Лопатин В. В., Попов С. Э., Канайкин В. А., Матвиенко А. Ф.
Применение электромагнитного акустического метода в практике контроля состояния труб магистральных газопроводов // Дефектоскопия, 2008. № 7. с. 3 - Ц 48. Подгорбунских А. М., Лоскутов В. Е., Канайкин В. А., Матвиенко А. Ф. Автоматическое регулирование скорости движения средств внутритрубной диагностики магистральных газопроводов. 2. Электронное оборудование байпасного устройства. // Дефектоскопия, 2007. № 11.
с. 88 - Ц 49. Канайкин В. А., Калюжный Ю. А., Корзунин Г. С. И др. Маркерная система средств дефектоскопии магистральных газопроводов // Дефектоскопия, 2008. С. 43-50. Варламов Д. П., Канайкин В. А., Матвиенко А. Ф. Мониторинг дефектности магистральных газопроводов. Екатеринбург: УрО РАН, 2008.
51. Канайкин В. А. Внутритрубная магнитная дефектоскопия магистральных трубопроводов. Екатеринбург: УрО РАН, 2009 г. 308 с.
52. Канайкин В. А. Развитие теории магнитной внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов. М: МГУПИ, 2010 г., 47 с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям