Теоретические и экспериментальные исследования магнитных полей дефектов конечных размеров и создание специализированных сканеров для дефектоскопии трубопроводов
| Вид материала | Автореферат |
- Методы дефектоскопии трубопроводов нефтеперерабатывающих заводов, 49.38kb.
- Возможности формирования магнитных полей с заданным распределением индукции на центральной, 9.53kb.
- Лабораторная работа по физике №2-24. Экспериментальные исследования электростатических, 311.12kb.
- Магнитное поле в вакууме, 56.29kb.
- Первоначальные сведения о магнетизме, 53.52kb.
- Устойчивость состояний тонкопленочных слоев магнитных носителей к внешним импульсным, 96.67kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины (модуля) Метод конечных элементов и программы, 141.68kb.
- Луцький национальный технический университет, 95.19kb.
- Теоретические и экспериментальные Исследования распространения упругих волн в поврежденных, 277.14kb.
- Метод эпр для измерения магнитной индукции переменных полей, 65.24kb.
На правах рукописи
Коваленко Александр Николаевич
Теоретические и экспериментальные исследования магнитных полей дефектов конечных размеров и создание специализированных сканеров для дефектоскопии трубопроводов
Специальность 05.11.13 – приборы и методы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий.
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва, 2010 г.
Работа выполнена в ОАО «Автогаз»
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор,
г.н.с. ДНСЦ «Дефектоскопия» Шелихов Геннадий Степанович
доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры
«Электротехника и интроскопии»
ГОУ ВПО МЭИ (ТУ) Покровский Алексей Дмитриевич
доктор технических наук, профессор,
директор НУЦ «Каскад» Шкатов Петр Николаевич
Ведущая организация:
Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ)
Защита диссертации состоится 21 апреля 2010 г. В 10 часов на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 в ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»
по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева д.35, стр.1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО "СПЕКТР"».
Автореферат разослан _____________ 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н. Н.В. Коршакова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Проблемы техногенной, экологической и антитеррористической безопасности являются весьма актуальными в развитии современного общества. Они требуют постоянного совершенствования методов, создания средств неразрушающего контроля и технической диагностики и развились во многих странах в самостоятельную индустрию, объединяющую тысячи научно-технических сотрудников производства.
В нефтяной и газовой промышленности стран СНГ эксплуатируется 206 тыс. км магистральных трубопроводов, 65 тыс. км магистральных нефтепроводов, более 6 тыс. км продуктопроводов и более 300 тыс. км промысловых трубопроводов различного назначения. Протяженность магистральных газопроводов -153345,4км. Из них: 1420мм. -14%; 1220мм.-17%; 1020мм.-23%; 720мм.-13%; 530мм. - 30%; 820мм-3%.Возрастная структура газопроводов: до 10 лет - 29%; 10-20лет-37%; 20-ЗЗгода - 20%; Свыше 33лет - 14%.
При этом 30% газопроводов эксплуатируется более 30 лет. Это один из факторов того, что на трубопроводном транспорте нефти и газа ежегодно происходит более 100 крупных аварий, которые наносят огромный экологический урон окружающей среде. Разрабатываемые и применяемые в настоящее время средства НК и ТД оказываются недостаточными для своевременного обнаружения дефектов и предотвращения аварий и катастроф.
Наиболее эффективным для обнаружения дефектов сплошности в газонефтепроводах является метод магнитной дефектоскопии с использованием магниточувствительных датчиков (преобразователей).
Магнитные методы основаны на создании и анализе магнитных полей, возникающих над дефектами, при намагничивании объектов контроля, которыми являются трубы или их участки, оборудование насосных и компрессорных станций, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. Распределение магнитных полей в области дефектов содержит необходимую информацию, которая позволяет определять размеры, пространственное расположение дефектов в трубопроводах и трубах под слоем изоляционного покрытия, выполнять оценку их размеров. Для получения такой полезной информации необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований, создание и применение специализированных подвижных, малогабаритных, магнитных сканеров высокой производительности.
Широкий круг задач, которые решаются с помощью сканеров и дефектоскопов, требует ускоренного их развития и внедрения в практику контроля трубопроводов, нефтехранилищ, трубной обвязки перекачивающих станций, труб промысловых нефтепроводов, а также труб городского жилищно-коммунального хозяйства.
Необходимость реализации указанных задач является предпосылкой к постановке и выполнению рассматриваемой диссертационной работы, обусловив ее актуальность.
Целью настоящей работы является:
Развитие теории магнитного метода контроля применительно к контролю газопроводов. Разработка комплекса диагностических приборов для выявления дефектов в стенках трубопроводов и наливных баках нефтехранилищ, для контроля качества сварных швов и контроля состояния стенок трубопровода при ремонтно-восстановительных работах, обеспечение высокой достоверности выявления, идентификации и геодезической привязки координат выявленных дефектов трубопроводов, включая стресс - коррозионные трещины.
На защиту выносятся:
1. Методология разработки и создания эффективных средств НК трубопроводов и других объектов, содержащая:
1.1. комплекс математических моделей распределения:
- магнитного поля дефектов типа произвольно ориентированных трещин конечных размеров на внутренней и внешней поверхности трубопровода;
- магнитного поля рассеяния сварного шва в области дефектов типа «пора» и «продольная трещина»;
- магнитного поля дефектов типа «расслоение» в стенке трубопровода.
1.2. оптимальные технологии и новые эффективные методики диагностирования трубопроводов.
1.3. конструктивные принципы оптимального построения магнитных сканеров и магнитных дефектоскопов контроля трубопроводов.
Теоретическая значимость полученных результатов:
1. Разработан комплекс математических моделей распределения:
- магнитного поля дефектов типа произвольно ориентированных трещин конечных размеров на внутренней и внешней поверхности трубопровода;
- магнитного поля рассеяния сварного шва и в области дефектов типа «пора» и «продольная трещина».
- магнитного поля дефектов типа «расслоение» в стенке трубопровода.
Результаты исследований, полученные на основе этих моделей, положены в основу разработки алгоритмов, программного обеспечения и конструкции сканеров сварного шва серии СкМ-Ш, СкМ, СД-1420 и дефетоскопов серии КОД 4М. Анализ результатов позволил также определить оптимальную границу применения магнитного метода контроля сварных швов.
2. Предложен метод определения необходимого и достаточного количество сенсоров для определения параметров стресс-коррозионных трещин.
3. Проведена оптимизации технологии магнитного контроля трубопроводов дефектоскопами поперечного намагничивания.
Практическая значимость
1. Разработана серия магнитных сканеров СкМ, позволяющая наиболее полно решить задачи по контролю резервуаров для хранения нефтепродуктов;
2. Создана серия магнитных сканеров СкМ-Т, позволяющая наиболее полно решить задачи по контролю трубопроводов диаметром от 114мм до 1620мм;
3. Разработан магнитный сканер СД-1420 для непрерывного контроля стенок труб при переизоляции трубопровода;
4. Разработаны и внедрены в производство магнитные дефектоскопы серии КОД-4М.
Научная новизна.
Разработаны:
1. Методология разработки и создания эффективных средств НК трубопроводов и других объектов, содержащая:
А) комплекс математических моделей распределения:
- магнитного поля дефектов типа произвольно ориентированных трещин конечных размеров на внутренней и внешней поверхности трубопровода;
- магнитного поля рассеяния сварного шва и в области дефектов типа «пора» и «продольная трещина».
- магнитного поля дефектов типа «расслоение» в стенке трубопровода.
Б) оптимальные технологии и новые эффективные методики диагностирования трубопроводов.
В) принципы оптимального построения магнитных сканеров и магнитных дефектоскопов контроля трубопроводов.
2. Разработана математическая модель процесса «закрутки» дефектоскопа поперечного намагничивания при проведении контроля.
Методы исследования
В работе используются аналитические, численные и экспериментальные методы исследования. При разработке математических моделей распределения магнитного поля рассеяния над дефектами конечных размеров используется операторный метод Лапласа, прямое и обратное преобразование Фурье, функциональный анализ, операционное исчисление. Применяются методы математического моделирования и вычислительного эксперимента с помощью персональных ЭВМ. Экспериментальные методы связаны с определением влияния на результаты внутритрубного контроля толщины стенки трубопровода, давления внутри трубопровода, скорости движения дефектоскопа, регистрацией, системы намагничивания, оцифровкой и обработкой изображений. Результаты теоретических расчётов и моделирования на ЭВМ проверены измерениями и экспериментами на специально разработанных стендах.
Апробация работы
Основные положения настоящей работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:
1-й Национальной научно-технической конференция и выставке «Методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», (21-24 октября 2003г., г. Кишинев, Молдова), 3-й Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», (17-18 марта 2004 г., г. Москва, Россия), 14-я Международной Деловой Встрече «Диагностика-2004», (19-24 апреля 2004 г., г. Шарм- Эль- Шейх, Египет), 16th World conference on nondestructive testing (WCNDT), (August 30 – September 3, 2004, Montreal, Canada), 2-й Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов». (Октябрь, 2005, Дубай ОАЭ),15-й Международной Деловой Встрече «Диагностика-2005», (апрель, 2005 Сочи, Россия), The Materials and Testing Conference 2005 (MaTe05), (October 30 – November 2, 2005, Fremantle, Australia), 9th European Conference on Non-Destructive Testing. (September 25-29, 2006, Berlin, Germany), 3-й Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций, (24-26 апреля 2007г., г. Екатеринбург, Россия), 17 World Conference on Non-Destructive Testing (WCNDT). (October 25-28, 2008, Shanghai, China), 2nd Asia-Pacific Workshop on Structural Health Monitoring conference, (2 - 4 December 2008, Melbourne, Australia).
Публикации
Основные научные результаты работы изложены в 31 научных статьях в журналах и трудах конференций, из них 9 патентов.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы: 390 страницы, 12 таблиц, 206 рисунков. Библиография включает 149 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость работы.
Глава 1. Анализ современного состояния разработок в области магнитной дефектоскопии трубопроводов
В главе проведен анализ развития физических основ метода рассеяния магнитных полей дефектов. Постоянное повышение требований эксплуатирующих организаций к достоверности неразрушающего контроля объектов газовой и нефтяной промышленности требует развития теории и практики магнитных методов контроля.
Обзор литературных источников, посвященных вопросам магнитного контроля показал, что учитывая преимущества магнитного метода контроля можно констатировать, что это направление разработок магнитных приборов для полевых условий является наиболее универсальным по отношению к контролируемым параметрам. Данный метод постоянно совершенствуется и развивается. Вместе с тем, многопараметровость магнитного метода контроля порождает трудности отстройки от мешающих факторов и ставит задачи досконального анализа взаимодействия их между собой в условиях проведения внутритрубного контроля
Использование в качестве информационных параметров длины, глубины и ширины раскрытия дефекта позволяет использовать магнитные методы контроля для решения широкого круга задач определения остаточного ресурса объектов контроля. Это трубопроводы различного диаметра, резервуары для хранения нефтепродуктов, железнодорожные рельсы и т.д.
Большой вклад в разработку вопросов теории магнитных методов контроля внесли труды российских ученых: Януса Р.И. Клюева В.В., Зацепина Н.Н., Щербинина В.Е., Покровского А.Д., Мужицкого В.Ф., Сандовского В.А., Сухорукова В. В., Федосенко Ю. К., Шатерникова В.Е., Шкатова П. Н. и др. Из зарубежных ученых труды Ферстера Ф., Азертона Д.Л., Леви Д.М. и др.
Несмотря на огромное количество работ по теории и практике магнитного метода контроля, ещё не разработаны достаточно объективные, научно-обоснованные алгоритмы расчета магнитных полей рассеяния от различного вида дефектов применительно к внутритрубному контролю.
Показано, что с целью повышения достоверности неразрушающего контроля объектов трубопроводного транспорта, целесообразно разработать математические модели магнитных полей рассеяния для дефектов конечных размеров типа «трещина», «каверна», расположенных на внутренней и наружной стороне стенки трубопровода, а так же дефектов типа «пора» и «расслоение». Актуальной является проблема определения влияния на выявляемость дефектов в стенках трубопроводов таких факторов как-то: внутреннее давление, остаточная намагниченность, толщина стенки трубопровода, скорость движения дефектоскопа.
Необходимо решение задач по созданию дефектоскопов, не нарушающих режим перекачки и сохраняющих постоянство скорости движения по трубопроводу, а так же серии магнитных сканеров, перекрывающих весь диапазон работ по контролю стенок трубопроводов, используемых в нефтяной газовой промышленности и по контролю резервуаров для хранения нефтепродуктов. Создаваемые сканеры и дефектоскопы должны обеспечить порог чувствительности к дефектам типа «трещина» не выше 10%.
Эффективность применения разработанных дефектоскопов и сканеров неразрывно связана с методическим обеспечением их применения. Поэтому важной задачей является разработка технологии контроля трубопроводов, в том числе, расположенных на местности, в полевых условиях.