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

- наружных и внутренних дефектов типа коррозионная каверна, ручейковая и питтинговая коррозия - ±10%.

Относительная дополнительная погрешность определения размеров наружных и внутренних дефектов - ±10%.

Абсолютная погрешность определения координат дефекта в направлении перемещения сканера на расстояние не более 15 м от начала измерений - ±0.02 м.

Относительная погрешность определения координаты дефекта в направлении перемещения сканера на расстояние свыше 15 м от начала измерений - ±0.15%.

Данные контроля записываются на флеш-карту с последующей обработкой информации на ПК. Анализ и обработка данных проводится с использованием программного обеспечения. Пакет программ обработки информации позволяет получить цветную развертку контролируемого участка трубы, выделить дефектные области, распознать тип дефекта, оценить размеры дефектов, произвести привязку дефекта на контролируемом изделии и составить подробный отчет сразу же после контроля изделия, не требуя особых навыков оператора.

Рис.22.Развертка распределения магнитного рассеяния поля над поверхностью трубы, полученная сканером серии СкМ

Дефект: ручейковая коррозия на внутренней поверхности трубы в районе 3-9 часов. Максимальная глубина дефекта - 7,1мм

Сканеры сварных швов.

Сканеры магнитные серии «СкМ-Ш» предназначены для поиска магнитных аномалий в сварных кольцевых, продольных швах и околошовных зонах (зачищенных от изоляции, локальных наплывов металла и брызг от сварки). С помощью сканеров производится контроль труб из ферромагнитной стали и сплавов, предназначенных для транспортировки газа, нефти, нефтепродуктов, и т.д. с последующим определением видов и параметров (размеров) дефектов (дефектных зон).

Сканер перемещается в процессе контроля вдоль шва трубопровода. Ширина контролируемой зоны - 50 мм. Магнитный рельеф поля вблизи поверхности контролируемого изделия измеряется матрицей магниточувствительных преобразователей, в качестве которых используются датчики Холла. Запись информации в процессе контроля осуществляется на флэш-диск. С флеш-диска данные переносятся на ПК. При помощи программного обеспечения оператор проводит обработку полученного магнитного рельефа поля над дефектной областью и определяет вид дефекта, а затем и его параметры - глубину и линейные размеры.

Сканер обеспечивает устойчивый и достоверный съем информации при перемещении его по окружности трубы вручную со скоростью до 0.5 м/с.

К дефектам, которые выявляются сканером, относятся: поры всех видов, шлаковые включения, непровары (несплавления), продольные поверхностные и внутренние трещины сварного шва. Минимальный размер выявляемого дефекта типа пора - 1 мм в диаметре при толщине стенки трубы не более 4 мм. Во всех остальных случаях максимальный диаметр поры не должен превышать 0,25Т, но не более 3 мм, где Т - толщина стенки трубы. Максимальная толщина стенки Tmax = 17 мм.

Погрешность определения координаты дефекта, дефектной зоны не более:

- по диаметру труб - расстояние по дуге - ±1?мм от начальной точки контроля;

- по ширине контролируемой зоны - ±1?мм от начальной точки контроля.

Рис.23.СкМ-Ш 2, контроль продольного сварного шва.

Типичные дефекты, выявляемые сканерами сварных швов

Рис.24.Стресс-коррозионные трещины, глубиной до 8 мм, вдоль линии сплавления заводского продольного сварного шва с основным металлом трубы.

Рис.25.Стресс-коррозия, глубиной до 5 мм, вдоль заводского продольного шва

Магнитные сканеры для контроля сварных швов серии СкМ-Ш выпускаются в следующей модификации:

-СкМ -Ш 1 для контроля сварных швов для труб диаметром от 1020 мм до 1220 мм;

-СкМ-Ш 2 для контроля сварных швов труб диаметром от 1420 мм до 1620 мм и резервуаров

Разработан магнитный сканер СД-1420 для проведения инспекционного контроля-обнаружения дефектов (повреждений) на внешней поверхности труб магистральных газопроводов с внешним диаметром 1420 мм, толщиной стенки от 12 до 25 мм при проведении ремонтных работ и работ по изоляции (переизоляции).

Рис. 26.Магнитный сканер СД-1420 для непрерывного контроля стенок труб при переизоляции трубопровода.

Таблица 1. Основные технические характеристики 6м-1420сд

Разработаны и внедрены в производство магнитные дефектоскопы серии КОД-4М.

Состав комплекса КОД-4М-1420.

*снаряд-дефектоскоп КОД-4М-1420 оснащенный системой обработки и регистрации данных;

* снаряд-профилемер рычажный трубный;

* магнитный очистной поршень;

* снаряд-калибр;

* очистной скребок;

* комплект ЗИП;

* стенд проверки герметичности в полевых условиях;

* зарядно-разрядное устройство для бортовых аккумуляторов;

* программные средства визуализации и оценки результатов внутритрубной инспекции.

Применение комплекса КОД-4М-1420 возможно в трубопроводах, имеющих следующие характеристики:

* диаметр трубопровода - 1420 мм;

* толщина стенок труб - от 15 до 25 мм;

* материал стенки трубы - сталь 17ГС, 17Г2СФ, 14Г2САФ, а также отечественные и импортные стали с близкими магнитными характеристиками.

* наименьший радиус изгиба - 3 DN;

* сужение трубопровода до 0,9 DN;

* трубы - прямошовные и спирально-шовные;

* транспортируемый продукт - природный газ, нефть, ШФЛУ, вода;

* оптимальная скорость движения перекачиваемого продукта - до 36 км/час.

* рабочее давление в трубопроводе - до 8 МПа.

Комплекс внутритрубной дефектоскопии КОД-4М-1420 позволяет выявлять следующие особенности и аномалии трубопровода:

* дефекты потери металла - общая коррозия, питтинговая коррозия, отдельные каверны, механические повреждения;

* продольные и ориентированные под углом к образующей трубы трещины;

* дефекты металлургического характера - прокат, расслоения (с применением наземных дефектоскопических средств);

* вмятины и гофры на стенках труб;

* дефекты в продольных сварных швах (трещины, непровары, утяжиныи т.д.).

Дополнительные возможности комплекса:

* выявление и идентификация элементов арматуры трубопровода - краны, тройники, отводы-врезки, устанавливаемые маркеры;

* определение категорий уложенных труб - прямошовные, спиральношовные, одношовные, двухшовные;

* измерение длин секции труб;

* регистрация изменений толщины стенок труб.

Таблица 2. Минимальные выявляемые дефекты (согласно техническому заданию):

где t - толщина стенок трубы.

Погрешность определения местонахождения выявленных дефектов (при наличии маркеров, расположенных по длине трубопровода на расстоянии не более 2 км) ±0,5 м.

Комплекс обнаружения дефектов «КОД-4М-1420у»

Рис. 28. Комплекс обнаружения дефектов «КОД-4М-1420у»

Состав комплекса обнаружения дефектов «КОД-4М-1420у»

1) внутритрубный снаряд-дефектоскоп;

2) комплект программных средств;

3) комплект эксплуатационных документов;

4) комплект инструментов и принадлежностей;

5) комплект запчастей для одноразового восстановления дефектоскопа;

6) средства упаковки, обеспечивающие сохранность дефектоскопа при транспортировке и хранении;

7) маркерные устройства прохождения снарядов, в которых достигнуты следующие результаты:

- порог чувствительности для дефектов типа трещина получен меньше 10% от толщины стенки трубопровода, что превосходит все аналогичные приборы в мире:

- при скорости газа до 50 км/час в процессе проведения контроля сохраняется производительность обследуемого газопровода

- обеспечивается регулирование движения дефектоскопа с постоянной скоростью по трассе газопровода, с том числе с участками подъема и склона местности до 28%;

- узел регулирования скорости дефектоскопа разработан в модульном съемном исполнении, что позволяет его использование на других снарядах;

- в режиме реального времени с помощью маркерных устройств надежно контролируется прохождение дефектоскопа по обследуемому участку;

- реализована импульсная система энергетического питания, что является энергосберегающей технологией, позволяющей снизить емкость аккумуляторных батарей;

- реализована «ампульная» система защиты электронных блоков, что позволяет проводить регламентные работы один раз в год (2000 км газопроводов дефектоскопии) без вскрытия гермоконтейнера.

Сканер сварного шва получил диплом за лучшую разработку в области электромагнитного метода неразрушающего контроля на выставке NDT в 2006г.

В 2006 г. магнитный сканер серии СкМ-Ш удостоен диплома как лучшая разработка в магнитном методе контроля на 5-й Международной выставке «Неразрушающий и лабораторный контроль в промышленности» (г. Москва).

Разработка КОД 4М-1420у получила диплом победителя конкурса инноваций в 2008г. на 7-й Международной выставке «Неразрушающий и лабораторный контроль в промышленности» (г. Москва).

Основные научные результаты диссертации

1. Разработана и исследована модель магнитного поля рассеяния дефекта типа разноориентированная трещина конечных размеров на внутренней и внешней сторонах трубопровода в виде двух бесконечно тонких соленоидов прямоугольного сечения длиной, равной длине дефекта, высотой, равной глубине дефекта, по которым протекает ток, плотностью пропорциональной нормальной составляющей намагниченности J_п ферромагнетика, в котором находится данный дефект. Получены формулы для определения нормальной и тангенциальной составляющих магнитного поля рассеяния дефектов типа разноориентированная трещина конечных размеров на внутренней и внешней сторонах трубопровода

2. Получены и исследованы математические модели магнитного поля рассеяния сварного шва и его дефектов типа «пора» и «продольная трещина». Эти результаты положены в основу разработки алгоритмов, конструкции и программного обеспечения сканеров сварного шва серии СкМ-Ш. Анализ теоретических и практических результатов его применения позволил определить оптимальную границу применения магнитного метода контроля сварных швов.

3. 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%.

4. 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 контрольных 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%.

5. Предложено решение задачи распознавания вида дефекта с использованием метода конечных элементов для расчета математических моделей распределения магнитного поля рассеяния дефектов конечных размеров.

6. Разработана методика расчета дефектоскопов, не нарушающих режимов перекачки газа и сохраняющих постоянство скорости их движения по трубопроводу.

7. Разработано и реализовано байпасное устройство с пропускным сечением постоянного диаметра, где скорость регулируется изменением площади перепускного сечения.

8.Разработана и реализована новая концепция внутритрубной дефектоскопии с использованием пассивных маркеров. Предложено устанавливать на дефектоскопы, специальный модуль для измерения толщины стенки трубы, что дает большую экономию при дефектоскопии подводных трубопроводов и исключает установку подводных маркеров при производстве диагностических работ.

9. Разработан и реализован новый метод поиска дефектов на трубах в полевых условиях по расположению продольных сварных швов, что существенно снижает затраты на производство земляных работ

10. Предложен и реализован новый способ повышения живучести дефектоскопа за счет введения увеличения ресурса трущихся частей путем принудительной закрутки дефектоскопа.

11. Проведены исследования и внедрены в практику системы поперечного намагничивания для внутритрубных дефектоскопов.

12. 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. Однако, вблизи зоны магнитного насыщения напряженно-деформированное состояние не оказывает заметного влияния на результаты ПРМП измерений. Это объясняется изменениями в кривой гистерезиса В - Н, происходящим под влиянием напряжено-деформированного состояния.

13. Показано, что оптимально сконструированная магнитная система снаряда является наиболее важной для получения достоверных и воспроизводимых результатов ПРМП измерений. На основании результатов моделирования, был разработан критерий рабочей зоны намагниченности, который позволяет определить диапазон толщины стенок, для контроля с помощью снаряда, и где минимально возмущающее воздействие таких параметров как давление в трубе, скорость движения снаряда, изменения толщины стенки и начальное магнитное состояние стенки трубы.

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

15. Показано, что традиционная конструкция модуля в виде скобообразной системы с удаленными полюсами малоэффективна для толстостенных труб, а возможные ее улучшения связаны с неоправданно большим увеличением габаритов магнитов и самого модуля. Для создания мощного магнитного поля в зоне контроля с минимальной неоднородностью в разработках автора используются замкнутые в плане системы намагничивания, например в виде эллипса для магнитного сканера шва СкМ-Ш, и в виде прямоугольника в дефектоскопе КОД4М-1420у, чем удалось достичь напряженности в стенке трубопровода и в сварном шве порядка 20ка/м и однородности поля в зоне контроля порядка 5%.

16. Разработана и внедрена в производство серия магнитных сканеров СкМ перекрывающая весь диапазон работ по контролю резервуаров для хранения нефтепродуктов.

17. Разработана и внедрена в производство серия магнитных сканеров СкМ-Т перекрывающая весь диапазон работ по контролю трубопроводов диаметром от 114 мм до 1620 мм.

18. Разработан магнитный сканер СД-1420 для непрерывного контроля стенок труб при переизоляции трубопровода.

19. Разработаны и внедрены в производство магнитные дефектоскопы серии КОД-4М, в которых порог чувствительности для дефектов типа трещина получен меньше 10% от толщины стенки трубопровода, что превосходит все аналогичные приборы в мире:

Список работ

1. Коваленко А.Н., Гусев Е.А., Бакушев В.А., Сельченков, В.Г., Соснин Ф.Р. Робототехнический рентгенотелевизионный интроскоп.// Свердловск, Наука, Дефектоскопия № 1., 1987 г.

2. Коваленко А.Н., Монахов В.В., Усачев Б.Л. Робототехнический комплекс неразрушающего контроля качества изделий сложной формы.// М., Сборник трудов НИКИМП, 1987 г.

3. Коваленко А.Н., Монахов В.В., Усачев Б.Л. Робототехнический комплекс контроля металлизации в отверстиях печатных плат.// М., Сборник трудов НИКИМП, 1987 г.

4. Коваленко А.Н., Монахов В.В. Вихревые токи в цилиндре с бесконечно длинной трещиной.// М., Сборник трудов НИКИМП, 1988 г.

5. Коваленко А.Н., Монахов В.В., Попов С.Л., Гревцев М.А. Робототехнический комплекс контроля чугунных шапок высоковольтных изоляторов. // М., Сборник трудов НИКИМП, 1988 г.

6. Коваленко А.Н., Монахов В.В., Гревцев М.А. Робототехнический комплекс массового контроля чугунных шапок подвесных высоковольтных изоляторов.// Сборник докладов Дефектоскопия-89 - Пловдив: НРБ, 1989 г.

7. Коваленко А.Н. Определение необходимого и достаточного количества сенсоров при стресс-коррозионном контроле стенок трубопровода магнитным методом.// М., Контроль. Диагностика №2 2008 г.

8. Коваленко А.Н. Магнитные сканеры для контроля стенок и сварных швов нефтегазопроводов для хранения нефти и нефтепродуктов.//М, Контроль. Диагностика №3 2008 г.

9. Коваленко А.Н. Неразрушающий контроль сварных швов магистральных газо- и нефтепроводов магнитным методом.//М, Контроль. Диагностика №10 2008 г.

10. Авторское свидетельство № 794471 (СССР). Имитатор сигналов для настройки калибровки вихретоковых приборов.// А.Н. Коваленко, В.Л. Анохов, В.С. Черняев, Е.С. Скоробогатько// Опубл. 07.01.1981 г. Бюл. № 1.

11. Авторское свидетельство № 1504612 (СССР). Акустический дефектоскоп.// А.Н. Коваленко, А.А. Маслов, В.В. Монахов, С.Л. Попов, С.Т. Фролов, В.И. Резников// Опубл. 30.08.1989 г. Бюл. № 32.

12. Авторское свидетельство № 1536303 (СССР). Акустический дефектоскоп.// А.Н. Коваленко, В.В. Монахов, С.Л. Попов, М.А. Гревцев // Опубл. 15.01.1990 г. Бюл. № 2.

13. Авторское свидетельство № 1582116 (СССР). Акустический дефектоскоп.// А.Н. Коваленко, А.А. Маслов, В.В. Монахов, С.Л. Попов, С.Т. Фролов, М.А. Гревцев, В.И. Резников// Опубл. 30.07.1990 г. Бюл. № 28.

14. Авторское свидетельство № 1549459 (СССР). Нейтрализатор зарядов статического электричества.// А.Н.Коваленко, В.Н. Таисов, К.Л. Куликов, Г.А. Дидин, П.Л. Гефтер // Опубл. 11.09.1989 г. Бюл. № 38.

15. Пат. 2279670 РФ. Устройство для сохранения постоянства расхода газа при дефектоскопии газопровода.// А.Н. Коваленко, А.А. Седых, А.Д. Седых// Опубл. 10.07.2006 г. Бюл. № 19

16. Пат. 2311587 РФ. Очистной поршень.// А.Н. Коваленко, А.А. Седых// Опубл. 27.11.2007 г. Бюл. № 33

17. Пат. 2303779 РФ. Магистральный проходной магнитный дефектоскоп/ А.Н. Коваленко, А.А. Седых // Опубл. 27.07.2007 г. Бюл. № 21

18. Пат. 2350942 РФ. Портативное устройство для обнаружения трещин/ А.Н. Коваленко// Опубл. 27.03.2009 г. Бюл. № 9

19. Коваленко А.Н., Седых А.А. Магнитные сканеры для контроля сварных швов, стенок трубопроводов для транспортирования газа, нефти и нефтепродуктов, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов.// ОАО «Автогаз», г. Москва, Россия.// 1-я Национальная научно-техническая конференция и выставка «Методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 21-24 октября 2003г., г. Кишинев, Молдова.

20. Коваленко А.Н., Седых А.А., Макаров С.В., Гамза Д.В. Комплекс для неразрушающего контроля сварных швов магистральных газо- и нефтепроводов магнитным методом.// ОАО «Автогаз», г. Москва, Россия.//

1-я Национальная научно-техническая конференция и выставка «Методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 21-24 октября 2003г., г. Кишинев, Молдова.

21. Коваленко А.Н., Седых А.А., Макаров С.В., Гамза Д.В. Эталонные дефекты, как часть магнитного метода контроля трубопровода.// ОАО «Автогаз», г. Москва, Россия.// 1-я Национальная научно-техническая конференция и выставка «Методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 21-24 октября 2003г., г. Кишинев, Молдова.

22. Коваленко А.Н., Седых А.А., Макаров С.В. Дефектоскопия магистральных нефтегазопроводов и резервуаров магнитными сканерами высокого разрешения.// ОАО «Автогаз», г. Москва, Россия.// 3-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», 17-18 марта 2004 г., г. Москва, Россия.

23. Коваленко А.Н., Седых А.А., Макаров С.В., Мишин А.Р. Магнитные сканеры для контроля стенок и сварных швов нефтегазопроводов и резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов.// ОАО «Автогаз», г. Москва, Россия.// 14-я Международная Деловая Встреча «Диагностика-2004», 19-24 апреля 2004г., г. Шарм Эль Шейх, Египет.

24. A.N. Kovalenko, A.A. Sedykh. Determination of necessary and sufficient number of sensors in case of pipelines walls stress-corrosion testing by magnetic field leakage technique. //JSC «Avtogaz», Moscow, Russia.// 16^th World conference on nondestructive testing (WCNDT), August 30 - September 3, 2004, Montreal, Canada.

25. Коваленко А.Н., Седых А.А. Магнитные сканеры для обследования стенок и сварных швов газонефтепроводов при проведении ремонтных и строительных работ.// ОАО «Автогаз», г. Москва, Россия.// 2-я Международная конференция «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов».

26. Коваленко А.Н., Седых А.А., Гамза Д.В., Мишин А.Р. Комплекс для неразрушающего контроля сварных швов магистральных газо- и нефтепроводов магнитным методом.// ОАО «Автогаз», г. Москва, Россия.// 15-я Международная Деловая Встреча «Диагностика-2005»

27. A.N. Kovalenko, A.A. Sedykh. Magnetic scanners for examination of welds, walls of oil, gas pipelines and storage tanks for crude oil and oil products. //JSC «Avtogaz», Moscow, Russia. // The Materials and Testing Conference 2005 (MaTe05), October 30 - November 2, 2005, Fremantle, Australia.

28. A.N. Kovalenko, A.A. Sedykh, S.V. Makarov. Device for non-destroyable monitoring with magnetic method of welded joints of main gas and oil pipelines. // JSC «Avtogaz», Moscow, Russia. // 9^th European Conference on Non-Destructive Testing. September 25-29, 2006, Berlin, Germany.

29. Коваленко А.Н., Седых А.А., Шиков С.Ю., Созонов П.М. О разработке внутреннего дефектоскопа нового поколения (КОД-4М-1420у). // ОАО «Автогаз», г. Москва, Россия. // 3-я Российская научно-техническая конференция «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций, 24-26 апреля 2007г, г. Екатеринбург, Россия.

30. A.N. Kovalenko. Resolution of Magnetic Intelligent Tool in Case of Stress-corrosion Cracks Detection. // JSC «Avtogaz», Moscow, Russia. // 17 World Conference on Non-Destructive Testing (WCNDT). October 25-28, 2008, Shanghai, China.

31. A.N.Kovalenko. The external magnetic scanners for examination of walls and welds of pipelines by manufacture of works under oil, gas pipelines repair. // JSC «Avtogaz», Moscow, Russia. // 2nd Asia-Pacific Workshop on Structural Health Monitoring conference, 2 - 4 December 2008, Melbourne, Australia

Размещено на Allbest.ru