Теоретические и экспериментальные исследования магнитных полей дефектов конечных размеров и создание специализированных сканеров для дефектоскопии трубопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Теоретические и экспериментальные исследования магнитных полей дефектов конечных размеров и создание специализированных сканеров для дефектоскопии трубопроводов

Коваленко Александр Николаевич

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

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 оптимизация 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), 16^th 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), 9^th 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.

ГЛАВА 2. Анализ дефектов в стенках трубопровода и разработка устройства к дефектоскопам, не нарушающих режима перекачки продукта.

В главе рассмотрены причины возникновения дефектов, вопросы разбиения дефектов на классы и вопросы создания устройств, обеспечивающих постоянство скорости движения дефектоскопа при изменении скорости транспортируемого продукта в пределах от 4 до 15 м/сек. Дефекты трубопроводов (параметры диагностирования) по происхождению могут быть разделены на три группы:

1 - дефекты процессов производства труб в заводских условиях;

2 - дефекты монтажных и строительных работ;

3- дефекты эксплуатируемых трубопроводов.

Своевременное обнаружение дефектов каждой стадии - производства труб, монтажа и строительства трубопроводов способствует повышению запаса прочности трубопровода.

Появление эксплуатационных дефектов трубопроводов вызвано многообразными факторами, хорошо изученными и прогнозируемыми, а также случайными (например, повреждение трубопровода сторонними лицами и т.д.). Для обеспечения надежности трубопроводов необходим периодический контроль их параметров как конструктивных, так и функциональных (в процессе эксплуатации).

При производстве труб появляются дефекты металлургического происхождения, отклонения толщины стенки, дефекты изготовления сварных швов, а также дефекты изоляционных покрытий. При монтажных и строительных работах появляются дефекты поперечного сварного шва, деформации трубы, дефекты изоляционных покрытий. Дефектами в элементах конструкции объектов, появляющимися в процессе эксплуатации, являются потери металла объектов, трещины, деформации труб, нарушения изоляции. Дефекты функциональных элементов транспортного трубопровода, появляющиеся в процессе эксплуатации, это частичные разрушения объектов и утечки транспортируемого продукта.

Сварной шов, как конструктивный элемент трубопровода, является концентратором напряжений в стенке трубы и увеличивает напряжения в 1,516 раза. Дефектный сварной шов представляет собой серьезную опасность, так как увеличивает напряжения более чем в 2 раза.

Все дефекты швов, выполненных сваркой плавлением, делятся на наружные и внутренние. Наружные дефекты формы шва и дефекты сплошности. Внутренние - дефекты структуры и дефекты сплошности.

Дефектами формы являются наплывы и натеки, а наружными дефектами сплошности - прожоги и кратеры. Внутренними дефектами сплошности являются непровары, трещины, шлаковые включения и поры.

Трещины в околошовной зоне, ориентированные перпендикулярно и параллельно оси шва, холодные трещины возникают при сварке закаливающихся легированных сталей, средне и высокоуглеродистых сталей в результате напряжения и наличия водорода в металле. Продольные трещины в металле шва, горячие трещины образуются в углеродистых и легированных сталях в результате воздействия на кристаллизующийся металл шва растягивающих напряжений. Трещины и поры в виде скопления или цепочки пор уменьшают статическую и вибрационную прочность швов и являются опасными дефектами.

К дефектам трубы, как конструктивного элемента трубопровода, относятся механические повреждения и деформации труб и нарушения изоляционных покрытий, возникающие на разных стадиях (при транспортировании, монтаже и эксплуатации трубопроводов), а также повреждения технологических элементов конструкций (крепление и др.). Главным фактором, приводящим к снижению надежности прямолинейных участков трубопровода, является коррозионное повреждение наружных поверхностей трубопроводов вследствие нарушения изоляции и эрозионное повреждение внутренних поверхностей трубопроводов вследствие наличия межкристаллитной коррозии и гидродинамических ударов транспортируемого продукта, приводящих к потере металла в стенках трубы. Эти два вида повреждения трубопроводов приводят к уменьшению толщины стенок трубопровода; при определенных условиях могут привести к трещинообразованию и разрыву металла.

На скорость коррозии влияют: качество металла трубопровода и его поверхности, состояние изоляционного покрытия, климатические условия и внешние агрессивные свойства почвенной среды и компонентов перекачиваемого продукта.

Экспериментальным путем установлены критерии опасности коррозионных повреждений стенок трубопровода. Все виды коррозионных повреждений подразделяются на три группы. К первой группе относится сплошная коррозия - равномерная или неравномерная, в зависимости от скорости се протекания на отдельных участках поверхности трубы. Ко второй группе - местная коррозия, к которой относятся одиночные поражения на расстоянии более 150 мм друг от друга. К третьей группе относят групповые коррозионные поражения с расстояниями между краями соседних коррозионных пятен 5-150 мм и протяженные коррозионные поражения при расстоянии между соседними поражениями менее 5 мм.

Одиночные коррозионные поражения, как правило, не приводят к возникновению отказов участков трубопроводов. Они предшествуют образованию свищей и при своевременно принятых мерах по ремонту или переизоляции (в случае, если глубина не достигла критического значения) опасность образования свищей снижается.

Групповые и протяженные коррозионные поражения при достижении ими критической глубины приводят к возникновению отказов участков трубопроводов.

Наиболее опасным видом коррозионных поражений является межкристаллитная коррозия (МКК) коррозионно-стойких хромоникелевых сталей, а также сталей аустенитного, аустенитно-ферритного, ферритного, мартенситного, аустенитно-мартенситного классов. МКК обусловлена, как структурным состоянием металла, так и влиянием агрессивной среды. Различие физико-химических свойств граничных и внутренних областей кристаллов металла способствует диффузии углерода и хрома и выделению вторичных фаз в пограничных зонах. Электрохимическая коррозия по границам кристаллитов вызывает образование трещин, идущих от поверхности вглубь металла, в результате появляется межкристаллитное поражение.

Одним из направлений, по которому осуществляется защита от ММК, является разработка надежных методов обнаружения и определения степени поражения металла межкристаллитной коррозией.

Металл трубопровода находится под ударным воздействием двухфазной среды в виде потоков газа или жидкости, содержащих инородные включения. В этих условиях наблюдается эрозия унос массы металла трубопровода в виде отдельных частиц или слоев. Для уменьшения скорости потери металла вследствие кавитационной эрозии применяется катодная защита. Катодная защита эффективна при достаточно высоких катодных потенциалах, при которых происходит образование водорода на поверхности металла.

Взаимодействие химического и механического видов коррозии вызывает различные и сложные формы разрушения материала.

Эрозионная коррозия как параметр диагностирования подлежит изучению физическими методами неразрушающего контроля.

Разрушения трубопроводов для жидких и газообразных продуктов (газ, нефть, нефтепродукты, вода и т.д.) распространяются на участке протяженностью от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров. Разрушения газопроводов обычно имеют большую протяженность, иногда несколько километров.

Основой задачей дефектоскопии на данный момент является своевременное выявление перечисленных выше дефектов трубопроводов.

Исходя из этого, проведено деление дефектов основного металла труб на классы, приведённые на схеме (рис.1.).

Рис. 1. Идентификационное деление дефектов основного металла труб на классы.

Как показывает анализ топографии магнитного поля рассеивания над дефектами, её принято характеризовать тангенциальными H_x и нормальными H_y составляющими магнитного поля рассеяния над дефектами. Анализ топографии показывает, что для распознавания дефектов в качестве критериев может быть использовано большое количество признаков например: расстояние между экстремумами H_y и H_x, амплитуда и длительность сигнала на различных уровнях и т.д. Все это связано с конкретными условиями контроля, поэтому необходимо проводить предварительное обучение системы контроля на образцах с модельными дефектами, максимально приближенными к реальным дефектам. Задача распознавания вида несплошности формулируется следующим образом: на основе поперечных характеристик из анализа кривых распределения нормальных или/и тангенциальных составляющих поля несплошностей найти подходящий алгоритм распознавания различных видов модельных несплошностей в контролируемом материале.



Рис. 2. Алгоритм модели имитации, используемый для решения обратной задачи при контроле трубопроводов

Из этого следует, что распознавание дефектов является инверсной задачей, т.е. задачей, где ПРМП сигналы, измеренные датчиками, интерпретируются в терминах формы, размеров и местоположения дефектов. Для решения данной задачи были применен подход, при которых МКЭ играет существенную роль, он представлен на (рис. 2), здесь МКЭ используется в итеративной схеме. Изменение сигнала может происходить не только из-за изменений формы дефектов, но и из-за других причин, таких как способность стенки трубы к намагничиванию, скорости снаряда, напряженного-деформированного состояния материала и т.д. В модель вводится вектор параметров, характеризующий профиль дефекта, который сравнивается в процессе итерации с экспериментально полученными сигналами до тех пор, пока прогнозируемая модель не сойдется с экспериментально полученным сигналом ПРМП. При движении газа по трубопроводу происходит значительное падение давления по длине в результате преодоления гидравлических сопротивлений. В этих условиях плотность газа уменьшается, а линейная скорость увеличивается.

Для обеспечения надежного распознавания дефектов трубопровода скорость дефектоскопа не должна превышать 2-3 м/с. Снижение скорости движения дефектоскопа может быть достигнуто за счет регулирования на компрессорной станции потока газа по газопроводу. Однако это связано с нарушением режима транспортировки газа и приводит к экономическим потерям. Этот недостаток может быть устранен регулированием скорости движения дефектоскопа за счет байпасирования (перепускания) через него части газа. В настоящей работе выполнен газодинамический расчет для дефектоскопа диаметром 1420 мм на рабочее давление 75 кгс/ см² с целью определения основных параметров байпасной системы. Анализ байпасных систем действующих дефектоскопов приводит с следующей расчетной схеме (рис.3)

Рис.3. Расчетная схема байпасного устройства

Где Р₁-Р₂ -перепад давления на дефектоскопе

Vд-скорость дефектоскопа

Vг-скорость газа

d-диаметр внутреннего перепускного отверстия

Ниже приведены результаты расчета площади перепускного сечения дефектоскопа (в процентах от площади сечения трубопровода) от скорости потока газа в трубопроводе.

дефект трубопровод нефтехранилище ремонтный



Рис 4. Зависимость площади поперечного сечения от скорости газа

Из рис 4. следует что, для того чтобы дефектоскоп при заданном весе сохранял заданную скорость движения, не изменяя режима перекачки газа в трубе, в нем должна изменяться площадь перепускного сечения в зависимости от скорости потока в определенных пределах.

Рис. 5. График изменения скорости газа вдоль трубопровода



Рис. 6. График изменения скорости движения дефектоскопа вдоль трубопровода

На рис.6. показано изменение скорости дефектоскопа при пропуске его по трубопроводу, который проложен через Уральские горы. Скорость газа в трубопроводе менялась согласно графика, приведенного на рис. 5., откуда следует, что отношение максимальной скорости газа в трубопроводе к средней скорости движения дефектоскопа равно 4,5. На рисунке 7. представлено сменное устройство регулирования скорости движения дефектоскопа, устанавливаемое на дефектоскоп КОД4М-1420у.

Рис. 7. Устройство регулирования скорости движения дефектоскопа (байпас)

Для измерения пройденного пути дефектоскопа по трубопроводу используется специальное устройство измерения пройденного пути - одометр. Физически это колесо, которое обкатываясь вокруг своей оси, измеряет с определенным шагом расстояние (например: с шагом 10мм). Точность измерения одометра колеблется от 1% до 0,1% (Проскальзывание, потеря контакта из-за неоднородностей или включений на внутренней поверхности трубопровода) от пройденного пути. Поэтому если взять среднее расстояние между станциями - 100 км, то ошибка в самом лучшем случае составит (100000*0,001=1000м) 1км. При этом найти дефект, находящийся на расстоянии 6070км от реперной точки будет довольно проблематично. В качестве реперов обычно используют естественные хорошо определяемые на местности особенности трубопровода (например, кран, отвод и т.д.). Эти особенности также должны хорошо фиксироваться дефектоскопом. Но их количество обычно невелико и расстояние между ними колеблется от 1км до 5060км. Для создания собственных реперных точек были разработаны активные и пассивные маркеры.

Активные маркеры - это устройства, которые фиксируют факт прохождения дефектоскопа мимо него. Маркеры это «регистраторы времени», они работают по следующему принципу: на борту дефектоскопа находится таймер, который синхронизируется с таймером, находящимся на маркерном устройстве. Факт прохождения дефектоскопа мимо маркера фиксируется с помощью специальных датчиков, например, для магнитных снарядов - это магнитная антенна, для других - звуковой (ультразвуковой) датчик. В датчике формируется импульс, который останавливает таймер в маркере. На записи информации о дефектах трубопровода в блоке записи информации на борту дефектоскопа делаются специальные временные метки. Соотнося время на записи на борту дефектоскопа с временем остановки таймера маркера, определяют местоположение маркера относительно трубопровода.

Система пассивных маркеров представляет собой устройства, искусственно созданные на трубопроводе, которые хорошо фиксируются системой записи дефектоскопа. Это может быть, например, утолщение стенки трубопровода, которое создается с помощью накладных регулярно расположенных пластин или колец, расположенных непосредственно на трубе или специально устанавливаемых на действующих газопроводах, а так же мощные магниты, которые устанавливаются перед пропуском дефектоскопа. На месте заложения пассивных маркеров на поверхности устанавливают специальные метки с записью расстояния и номера маркера.

Для приемлемой точности привязки дефекта к местности, маркеры расставляются на расстоянии 2000м. Точность определения дефекта в этом случае равна 2,0м. При использовании современных средств неразрушающего контроля (профилемеров, магнитных и акустических дефектоскопов) оптимальными являются закладные маркеры, имеющие форму в виде двух концентрических колец, изготовленных из того же материала, из которого изготовлены трубы газопровода, определенной толщины, расположенных на определенном расстоянии друг относительно друга и имеющих определенную размеры например, для трубопровода диаметром 1420 мм: 1420 мм х 300 мм х 40 мм . Эти маркеры устанавливаются в процессе подготовки труб перед нанесением изоляционного покрытия. При этом закладные пластины должны иметь акустический контакт с основным материалом трубопровода т.е. должны восприниматься средствами контроля трубопровода как утолщение его стенки. Это утолщение стенок трубопровода четко определяются как магнитными, акустическими дефектоскопами, так и профилемерами, снабженными датчиками модулем определения толщины стенки трубопровода. При прокладке трубопроводов координаты этих закладных маркеров фиксируются на местности с помощью спутниковой системы определения координат (GPS или ГЛОНАС). Кроме того, для большей надежности в месте залегания этих маркеров помещают пассивные отражатели, выполненные в виде прямоугольных или круглых пластин с нанесенными на их поверхность системой уголковых отражателей. Эти пластины легко определяются поисковыми ультразвуковыми радарами (сонарами).

Дефектоскопы продольного намагничивания хорошо фиксируют расположения поперечных сварных швов. Поэтому для определения места предполагаемого дефекта использовалась следующая схема: Делают раскладку труб с указанием их длины 5 труб до дефекта и 5 труб после дефекта( рис.8.), После этого по расстоянию , измеренному от ближайшего маркера до места предполагаемого дефекта, производят раскопку трубы на всю ее длину. Сравнивают длину раскопанной трубы с размерами труб , указанных в раскладке. Если длина раскопанной трубы совпадает с длиной дефектной трубы, то для большей точности откапывают две смежные с ней трубы и сравнивают их с длиной труб, которые указаны в раскладке. Если они совпали, то это значит, что нашли нужную трубу, если нет, то приходится откапывать еще несколько труб. До нахождения нужной дефектной трубы, а это может быть 510 труб, большой объем земельных работ.

Рис.8.Схема раскладки труб в районе дефекта

Дефектоскоп с поперечным намагничиванием, разработанный в впервые в России в МНПО «Спектр» в 1996 г. отчетливо фиксирует продольные сварные швы трубопровода. На записи магнитного образа трубы хорошо видны не только поперечные сварные швы, но и продольные сварные швы (на трубах советского производства два продольных шва. (рис.9.). Согласно технологии сварки продольных швов расстояние по торцу свариваемых труб продольные швы разносятся на расстояние, большее 20 см. Но на практике никто не соблюдал это положение и поэтому расстояние между двумя смежными продольными швами было случайным и колебалось от 5 до 30 см. (рис 9.) Этот факт дал возможность резко уменьшить количество земельных работ. Так как на раскладке труб относительно дефектной трубы были хорошо видны продольные швы, достаточно откопать один стык (а это обычно Ѕ трубы), чтобы определить расстояние до дефектной трубы.

Предложенный метод сегодня использует повсеместно, что дает значительную экономию при производстве земляных работ.

Рис.9. Развертка распределения магнитного поля рассеяния над поверхностью трубопровода

Для увеличения «живучести» дефектоскопа, т.е. уменьшения износа опорных манжет и дистанцирующих элементов в нижней, наиболее нагруженной части дефектоскопа, необходимо было решить задачу закрутки дефектоскопа вокруг своей оси.

Поставлена и решена задача вращения вокруг своей оси дефектоскопов поперечного намагничивания. За счет не параллельности расположения магнитов одной ступени относительно другой. По формулам, полученным при анализе проблемы закрутки дефектоскопа получается:

(1)

Где: d₀-расстояние между магнитами, -остаточная индукция магнита, с-длина магнита, l-ширина магнита, -смещение магнитов одной секи намагничивания относительно другой,. g-высота магнита

Подставим в выражение (1) значения параметров, заложенных в дефектоскоп КОД4М-1420:

d₀=0,28 м, =0,5тл, с=0,17м, l=0.228м, =0.08м. g=0.05м

получим: F₁=583 кг, если учесть то, что эта сила приложена к магнитному модулю на плече равном с/2, то момент закрутки модуля М будет равен:

М=583*с/2=49,5 кгм.

Этот момент разворачивает магнитный модуль на определенный угол , что заставляет дефектоскоп двигаться, но винтовой линии.

Испытания дефектоскопа с магнитной системой, с определенными выше параметрами вращался с углом поворота равном 0,01рад, при испытаниях с параметрами магнитной системы: d₀=0,3 м, =0,6тл, с=0,2м, l=0.228м, =0,8м. g=0,05м, угол поворота был равен 0,026 рад, при этом F₁=932 кг, М=93,2кгм. Исходя из вышеизложенного, автором предложен способ принудительного вращения дефектоскопа: изначально устанавливать магнитные модули под заданным углом и тем самым задавать нужный угол поворота (17).

Глава 3. Теоретическое исследование распределения магнитного поля рассеяния дефектов конечных размеров для внутритрубной дефектоскопии.

Большинство реальных трещин являются трещинами конечных размеров и распространяются вглубь металла не перпендикулярно поверхности, а под некоторым углом к ней (рис.10,11).

Рис.10. Поверхностные трещины

1- продольный сварной шов;

2- стресс-коррозионные трещины.

Рис.11. Поперечный шлиф стенки трубы с дефектом типа «трещина».

1-стенка трубы;

2-трещина.

В главе разработан новый подход к решению задачи распределения магнитного поля рассеяния над дефектом типа трещина.

Рис.12. Варианты расположения трещин: а-трещина 1 расположенная под углом к направлению намагничивающего поля H₀; в- трещина 2 расположенная под углом поверхности трубы.

В качестве модели дефекта предлагается модель магнитного поля рассеяния дефекта типа «трещина» конечных размеров на внутренней и внешней сторонах трубопровода в виде двух бесконечно тонких витков прямоугольного сечения длиной, равной длине дефекта, высотой, равной глубине дефекта, по которым протекает ток I, плотностью , пропорциональной нормальной составляющей намагниченности J_п ферромагнетика, в котором находится данный дефект (рис.13).

Рис.13. Токовая модель поверхностного дефекта конечной протяженности. 2l -длина, 2b-ширина, h-глубина трещины, -напряженность намагничивающего магнитного поля, 1,2-витки с током.

Получены формулы для определения нормальной и тангенциальной составляющих магнитного поля рассеяния дефектов типа трещина конечных размеров на внутренней и внешней сторонах трубопровода, расположенных под углом к направлению намагничивающего поля и под углом поверхности трубы.

Ниже приведены формулы для тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния дефектов трещины конечных размеров на внутренней поверхности трубопровода (угол и угол равны нулю)

(2)

и на внешней стороне трубопровода

(3)

Здесь T-толщина стенки трубопровода.

Остальные формулы не приводятся из-за их громоздкости.

На рис.14.,15. (длина дефекта равна 40мм) приведены распределения магнитных полей рассеяния дефектов типа внутренняя и наружная трещины, рассчитанные по формулам, полученным в работе



Рис.14. Распределение нормальной составляющей магнитного поля рассеяния над трещиной с параметрами: а=5мм, h=5мм, b=0,5мм, толщина стенки трубопровода T=18мм; a на внешней стороне трубопровода b- на внутренней стороне трубопровода.

Рис.15. Распределение тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния над трещиной с параметрами: а=5мм, h=5мм, b=0,5мм, толщина стенки трубопровода T=18мм; a-на внешней стороне трубопровода b- на внутренней стороне трубопровода.

Разработан математический аппарат решения задачи распределения магнитного поля рассеяния от сварного шва и дефекта типа пора в сварном шве. Получена формула (4) для расчета распределения тангенциальная составляющая магнитного поля рассеяния Н, в зоне бездефектного сварного шва для расчетной модели, приведенной на рис.16.

(4)

где 2b - ширина валика усиления сварного шва,

с - высота валика усиления сварного шва,

t - толщина стенки трубы,

- высота точки наблюдения.

Рис.16. Расчетная модель для бездефектного сварного шва.

Для исследования влияния дефекта типа пора в сварном шве на распределение магнитного поля выбрана расчетная модель, представленная на рис.17.

Рис.17. Расчетная модель с дефектом типа пора в сварном шве

где 2b - ширина валика усиления сварного шва,

с - высота валика усиления сварного шва,

t - толщина стенки трубы,

- высота точки наблюдения,

d - расстояние от поры до оси шва,

a - радиус поры,

h - глубина залегания поры.

Получена формула для определения зависимости и распределения тангенциальной составляющей магнитного поля Н_d/Н₀ для дефекта типа «пора» в толще шва с учетом неоднородности распределения магнитного поля в сварном шве:

(5)

где, H^d - тангенциальная составляющая поля от дефекта на поверхности;

H₀^` - значение поля в сварном шве;

d - смещение поры от центральной оси Y в направлении оси X;

Приведен расчет распределения магнитного поля рассеяния над дефектом типа «пора», расположенной внутри сварного шва. При смещении «поры» от центральной оси Y распределение тангенциальной составляющей магнитного поля выглядит следующим образом (рис.18):

Рис.18. Зависимость H^d /Н₀ от Х [мм], для d=6мм, h=5мм, a=1.5мм.

Проведена адаптация теоретических решений распределения магнитного поля над дефектом типа трещина к внутритрубному контролю. Важную роль при определении остаточного ресурса играет точность измерения параметров дефектов: длины и глубины. Особенно глубины, так как. она напрямую связана с точностью определения Hmax. В современных дефектоскопах информация о распределении магнитного поля рассеяния дефекта представлена в дискретном виде как вдоль трубопровода, так и поперек него.

На примере дискретного распределения магнитного поля над дефектом типа трещина (рис. 19) показан путь определения Hmax при проведении внутритрубного контроля с шагом записи распределения магнитного поля над поверхностью трубы равном «с» ( продольное намагничивание), для поперечного намагничивания «с» равно расстоянию между датчиками.

Рис 19. Дискретное распределения магнитного поля над дефектом типа трещина: -расстояние от точки отсчета до кривой распределения магнитного поля над дефектом типа трещина Hmax; Х₁-расстояние от точки отсчета до кривой распределения магнитного поля над дефектом типа трещина; H₁-значение магнитного поля в точке Х=Х₁; Х₂-расстояние от точки отсчета до кривой распределения магнитного поля над дефектом типа трещина; H₂- значение магнитного поля в точке Х=Х₂; Х₃-расстояние от точки отсчета до кривой распределения магнитного поля над дефектом типа трещина; H₃- значение магнитного поля в точке Х=Х₃; С-расстояние между датчиками (в случае продольного намагничивания расстояние между точками отсчета).

Здесь значения Х₁, Х₂, Х₃, и H₁, H₂, H₃-это значения измеренные дефектоскопом, необходимо найти Hmax.

Для этого воспользуемся формулой

(6)

После подстановки известных значений Х₁, Х₂, Х₃, и H₁, H₂, H₃ в эту формулу (6) и решения системы уравнений:

(7)

получим:

где

Разработана и исследована математическая модель распределения магнитного поля рассеяния дефектов типа «расслоение в стенке трубопровода. Показано, что максимальная ошибка между теоретически и экспериментально полученными распределениями магнитного поля рассеяния дефектов типа «расслоение в стенке трубопровода, составляет примерно 20%

Проведена оптимизация технологии магнитного контроля трубопроводов. Предложена методика определения необходимого и достаточного количества сенсоров для решения обратной задачи дефектоскопии (определение параметров дефекта по виду распределения магнитного поля рассеяния от него) на примере распределения тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния дефекта типа трещина. Для построения магнитных образов дефектов и градуировочных кривых разработан специальный стенд эталонных дефектов, где магнитное поле рассеяния снимается с помощью специального магнитного сканера. По величине поля над бездефектным участком трубы определяется значение приложенного поля в стенке трубопровода (H₀). Сканер производит контроль поверхности трубопровода с шагом 1 х 2,25 мм, что позволяет получить развертку магнитного поля над контролируемой поверхностью с цветовой градацией по величине поля рассеивания. Вид дефекта, его длина и ширина определяется по топологии распределения поля над дефектом по алгоритмам, в которых использованы полученные выше формулы распределения магнитного поля рассеяния над дефектами. По градуировочной кривой распределения магнитного поля рассеяния над дефектом определяется его глубина. Максимальная ошибка между теоретически и экспериментально полученными распределениями магнитного поля рассеяния дефектов в стенке трубопровода, составляет примерно 20%-25%

Глава 4. Исследование факторов влияющих на достоверность определения параметров дефектов магнитными методами.

В главе анализируются факторы, влияющие на достоверность определения параметров дефектов. Рассмотрено влияние изменения стенки трубопровода, скорости движения дефектоскопа, распределения магнитного поля в зоне контроля. Предложен вариант новой конструкции системы намагничивания замкнутого в плане магнитного контура. Выведена формула выявления дефектов в стенке трубопровода в зависимости от величины индукции магнитного поля в ней.

Результаты проведенного исследования показали, что первоначально значение индукции в стенке трубопровода и максимальное значение индукции над дефектом не чувствительны к изменению толщины стенки. Значения, начиная с которой толщина стенки оказывает влияние на эти величины, определяется конструктивными особенностями системы намагничивания дефектоскопа. Надежность работы снарядов измерения потоков рассеяния магнитного поля (ПРМП) зависит от многих причин. В работе проанализированы различные причины возникновения ошибок выявления и описания дефектов. Подтверждено, что результаты измерений с помощью снарядов содержат меньшую погрешность, если они обеспечивают достаточную намагниченность стенки трубы. Показано, что напряженно-деформированное состояние материала, вызванное давлением в трубопроводе, может оказывать существенно влияние на результаты измерений с помощью ПРМП снарядов при низких значениях магнитной индукции стенки трубы меньше 1,8 Тл. Однако, вблизи зоны магнитного насыщения, где магнитная индукция больше 1,8 Тл напряженно-деформированное состояние не оказывает заметного влияния на результаты ПРМП измерений.

Оптимально сконструированная магнитная система снаряда является наиболее важной для получения достоверных и воспроизводимых результатов ПРМП измерений. Магнитный контур использован для демонстрации того факта, что магнитная проводимость стенки трубы должна быть всегда выше, чем аналогичные проводимости всех остальных элементов магнитной системы дефектоскопа. На основании результатов моделирования, был разработан критерий рабочей зоны намагниченности, позволивший определить диапазон толщины стенок, где минимально возмущающее воздействие таких параметров как давление в трубе, скорость движения снаряда, изменения толщины стенки и остаточная намагниченность стенки трубы.

Предложена формула, определяющая значения индукции магнитного поля в стенке трубы в зависимости от глубины дефектов применительно к внутритрубному контролю.

Bд= Bs (1- h /t) (8),

 где Bs-индукция насыщения.

Из формулы (8) следует, что для выявления внешней трещины глубиной h/t равной 0,1 в стенке трубопровода необходимо создать индукцию магнитного поля Bд=0,9 Bs. Если для трубной стали марки 17 ГС Bs=2,0 тл, то для выявления дефекта глубиной 0,1 t в стенке трубопровода необходимо создать магнитное поля с индукцией равной 1,9 Тл.

Показано, что традиционная конструкция модуля в виде скобообразной системы с удаленными полюсами малоэффективна для толстостенных труб, а возможные улучшения ее связаны с неоправданно большим увеличением габаритов магнитов и самого модуля. Значительное улучшение выходных параметров возможно при изменении конструкции модуля с максимальным приближением магнитного материала к поверхности трубопровода. При этом на порядок повышается однородность поля и увеличивается контролируемая зона. Это также это требует определенных изменений в конструкции крепления системы намагничивания. Для создания мощного магнитного поля в зоне контроля с минимальной неоднородностью предлагается использовать замкнутые в плане системы намагничивания, например в виде эллипса для магнитного сканера шва СКМ-Ш (рис.20.), в виде прямоугольника в дефектоскопе КОД 4М-1420у, чем удалось достичь напряженности в стенке трубопровода и в сварном шве порядка 20ка/м и однородности поля в зоне контроля порядка 5%.



Рис.20. Распределение тангенциальной составляющей магнитного поля в стенке трубы, при замкнутой в плане эллипсоидальной магнитной системе.

мин. значение индукции в стенке (Гс)	16277
ср. значение индукции в стенке (Гс)	16525
макс. Значение индукции в стенке (Гс)	16759
степень неоднородности	0,0292
Доля магнитного потока в зоне контроля	% 78.4

Глава 5. Разработка и создание магнитных дефектоскопических сканеров.

Глава посвящена реализации полученных в работе решений на практике.

Показана разработанная серия магнитных сканеров для обследования трубопроводов и резервуаров в труднодоступных местах. Сканеры серии СкМ и СкМ-Т охватывают весь диапазон работ по контролю резервуаров для хранения нефтепродуктов и работ по внешнему контролю трубопроводов диаметром от114 до1620 мм. Представлен магнитный сканер СД-1420 для непрерывного контроля стенок труб при производстве работ по ремонту и переизоляции трубопроводов, а так же сканер сварного шва. Представлены магнитные дефектоскопы серии КОД-4М, на которых порог чувствительности к дефектам типа продольная трещина повышен в два раза с 20% до 10% от толщины стенки трубопровода.

Магнитные сканеры серии СкМ предназначены для поиска дефектов в стенках резервуаров и труб магистральных и шлейфовых газонефтепроводов, изготовленных из листовой ферромагнитной стали и сплавов (типа 17Г2С, 09Г2С, Х70), определения вида и оценки параметров дефектов. В магнитных сканерах реализован метод магнитных полей рассеяния дефектов в приложенном магнитном поле. По результатам обследования предоставляется полный комплект информации об обнаруженных дефектах на внешней и внутренней поверхностях труб и резервуаров: отдельных трещинах, группе взаимодействующих трещин (стресс-коррозии) питтинговой и общей коррозии, а также других возможных сочетаний дефектов. Особенно эффективно использование магнитных сканеров серии СкМ в местах, недоступных для внутритрубной диагностики.

В 2000-2005 гг. специалистами Дирекции комплексной дефектоскопии трубопроводов ОАО «АВТОГАЗ» были проведены успешные испытания магнитных сканеров СкМ-Т на нефтехранилищах и нефтепромыслах. В 2005 году разработан и изготовлен магнитный сканер серии СкКМ-Р для контроля подошвы рельсов.

Рис.21.Магнитные сканеры серии СкМ

СкМ-1 для контроля стенок резервуаров с толщиной стенки до 12 мм. Радиус кривизны поверхности от 3 до 20 м

СкМ-2 для контроля стенок труб с внешним диаметром 1420 мм и более и толщиной стенки до 18 мм.

СкМ-Т для контроля стенок трубопроводов:

СкМ-Т1 - с внешним диаметром 114-219 мм и толщиной стенки до 12 мм;

СкМ-Т2 - с внешним диаметром 245-426 мм и толщиной стенки до 15 мм;

СкМ-Т3 - с внешним диаметром 450-1020 мм и толщиной стенки до 16 мм;

СкМ-Т4 - с внешним диаметром 1220 мм и более и толщиной стенки до 20 мм.

технические характеристики магнитных сканеров:

Производительность контроля стенок резервуаров до 150 м²/час.

Производительность контроля стенок труб до 0,5 м/с.

Контроль стенок труб нефтегазопроводов осуществляется при наличии изоляции до 3,5 мм. Минимальная глубина выявляемых дефектов составляет 10% от толщины стенки.

Рабочий диапазон температур от -20 до +40С°.

Магнитные сканеры выпускаются в исполнении IIEx со степенью защиты IP67.

Непрерывная работа сканеров до 8 часов без подзарядки аккумуляторов.

Ширина контролируемой зоны за один проход:

- СкМ-1, СкМ-2, СкМ-Т4 - 130 мм;

- СкМ-Т1, СкМ-Т2, СкМ-Т3 - 110 мм;

Точность определения параметров и координат дефектов:

Сканеры выявляют поражения внутренней и наружной поверхностей:

- общая, питтинговая и ручейковая коррозия с глубиной каверн 0,1 Т и более, эквивалентным диаметром 1Т и более, где Т- толщина стенки;

- трещины, ориентированные вдоль текстуры листа и параллельно швам с глубиной 0,1Т и более, длиной 1Т и более.

Относительная основная погрешность определения размеров:

- наружных дефектов типа продольной трещины - ±15;

- внутренних дефектов типа продольной трещины - ±25;