ПРИМЕНЕНИЕ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК В УЛЬТРАЗВУКОВОМ КОНТРОЛЕ СВАРНЫХ СТЫКОВ И ОКОЛОШОВНЫХ ЗОН ДЛЯ СНИЖЕНИЯ АВАРИЙНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

APPLICATION OF PHASED ANTENNA GRIDS IN ULTRASOUND CONTROL OF WELDED JOBS AND WELDED ZONES

Dmitry Bukleshev

post-graduate student Samara State Technical University Samara state technical university,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

В связи с истечением срока эксплуатации магистральных трубо­проводов Российской Федерации актуальной задачей является выбор наиболее оптимального и достоверного метода определения их технического состояния. Основным методом внутритрубной и ручной диагностики магистральных трубопроводов является ультразвуковой контроль. На основании проведенных экспериментов показаны преиму­щества применения ультразвуковых дефектоскопов с фазированными решетками над традиционными методами ультразвукового и рентгено­графического контроля. Автор пришел к выводу, что использование фазированных решеток в ультразвуковых дефектоскопов предоставляет возможность получения результата как на каждой стадии контроля, так и всей дефектоскопии объекта в целом, к тому же применение фазированных решеток в ультразвуковом контроле позволяет получить самые полные данные о техническом состоянии объектов, точность результатов контроля и достоверность выявляемых дефектов, а так же применение фазированных решеток в ультразвуковом контроле, в связи с ярко-выраженными преимуществами данного метода позволит исключить «традиционные» УЗК и рентген-контроль.

ABSTRACT

In connection with the expiration of the operation of the main pipelines of the Russian Federation, the actual task is to choose the most optimal and reliable method for determining their technical condition. The main method of in-line and manual diagnostics of main pipelines is ultrasonic testing. Based on the carried out experiments, the application advantages of phased-array ultrasonic detectors over traditional methods of ultrasonic and radiographic inspection are shown. The author concluded that the use of the phased arrays in ultrasonic detectors gives an opportunity to gain the result both at each inspection stage and at the defect detection of the facility in general. In addition, phased array application in ultrasonic inspection allows to obtain comprehensive data on the facility technical condition, accuracy of the inspection results and reliability of the revealed defects; furthermore phased array application in ultrasonic inspection, due to the pronounced advantages of this method, will allow to eliminate the "traditional" ultrasonic inspection and X-ray control.

Ключевые слова: контроль сварных стыков, ультразвуковой контроль, рентгенографический контроль.

Keywords: inspection of welded joints, ultrasonic testing, radiographic inspection.

Состояние вопроса. Отказы магистральных трубопроводов чаще всего связаны с разрывами труб, что может привести к экологическим катастрофам, а также к гибели людей и животных. Кроме того, оста­новка трубопровода на время ремонта и сам ремонт влекут за собой высокий экономический ущерб. Поэтому магистральные трубопроводы относят к объектам повышенной опасности. Для обеспечения безопасности трубопроводы подвергают замене с определенной периодичностью, что приводит к дополнительным экономическим потерям.

Для оптимизации затрат все активнее проводятся исследования причин отказов магистральных трубопроводов и разрабатываются методы их защиты и продления срока службы. Анализ аварий трубопроводов показывает, что разрушение чаще всего носит местный характер. В процессе многолетней эксплуатации трубопроводов происходит воздействие нагрузки на металл трубы, вследствие чего возникает его предрасположенность к накоплению и образованию зон концентрации напряжений (ЗКН) [1].

Напряжения в околошовной зоне являются результатом наличия внутренних напряжений, которые могут вызываться различными причинами. К основным причинам их появления относят неравно­мерность нагрева и усадки сварного шва, структурные изменения металла и околошовной зоны. Также к причинам возникновения относят применение несоответствующей техники и технологии сварки (неверно выбран диаметр электрода, не соблюдаются режимы сварки и т. д.), низкая квалификация сварщика, нарушение размеров сварных швов и т. п. Одной из причин напряжения в ОШЗ также является давление, создаваемое продуктом транспортировки [2].

Определение локальных ЗКН в смонтированном газопроводе является сложной и дорогостоящей операцией. Тем не менее, известно, что ЗКН в магистральном газопроводе в большинстве случаев возникают в процессе сварки труб [10]. Поэтому изучение процесса сварки магистральных трубопроводов, сопутствующего процесса образования внутренних напряжений, а также поиск методов диагностики технического состояния сварных стыков и околошовных зон магист­ральных трубопроводов с наиболее высокой выявляющей способностью является важной задачей для нефтегазового комплекса.

Целью исследования выступает поиск метода диагностики техни­ческого состояния сварных стыков и околошовных зон магистральных трубопроводов с наиболее высокой выявляющей способностью.

Методика исследования. Был произведен неразрушающий контроль 2 образцов сварного шва нефтепровода «Дружба 2» (рис. 1, 2).

Контроль проводился 3 методами: рентгенографическим (РК) [7], ультразвуковым (УЗ) и ультразвуковым с применением фазированных антенных решеток (ФАР) [8].

Рентгенография – метод, основанный на регистрации интенсив­ности рентгеновского излучения, взаимодействующего с контроли­руемым объектом, на рентгенографической пленке. Такие дефекты, как включения инородных материалов, различные трещины, поры и шлаки проводят к ослаблению в той или иной степени рентгеновских лучей. Регистрация интенсивности лучей при помощи радиографического контроля помогает точно определить наличие неоднородностей проверяемого материала. Рентгенография, в силу необходимости обработки снимка, не автоматизируется, она не определяет уровень напряжений и вредна для здоровья человека. Рентгенографический контроль (РК) входит в группу методов контроля просвечиванием. Методы просвечивания оптически непрозрачных объектов основаны на законе ослабления интенсивности излучения, проходящего через контролируемый объект. Интенсивность излучения меняется в зави­симости от плотности материала и толщины.

Ультразвуковой контроль (УЗК) является одним из методов акустического контроля, использующим механические колебания упругой среды, частоты которых лежит за порогом слышимости человеческого уха, т. е. выше 29 кГц, обычно применяют колебания частотой 0,5-10МГц.

Использование фазированных решеток в ультразвуковых дефекто­скопов предоставляет возможность получения результата как на каждой стадии контроля, так и всей дефектоскопии объекта в целом, к тому же применение фазированных решеток в ультразвуковом контроле позволяет получить самые полные данные о техническом состоянии объектов, точность результатов контроля и достоверность выявляемых дефектов, а так же применение фазированных решеток в ультразвуковом контроле, в связи с ярко-выраженными преимуществами данного метода позволит исключить «традиционные» УЗК и рентген-контроль.

В обоих образцах (рисунок 1, 2), которые представляют собой фрагменты сварного шва трубопровода с толщиной стенки 8 мм, визуально просматриваемых дефектов обнаружено не было.

Методика контроля. Изначально был произведен рентгенографи­ческий контроль (просвечивание осуществлялось при помощи прибора «Шмель 250»). При анализе получившихся снимков было обнаружено: на образце № 1 (рисунок 3) отсутствие дефектов, на образце № 2 (рисунок 4) обнаружены дефекты: поры (единичные «Аа» размером. 1×1 мм) – допустимый дефект, неметаллические включения («Ва» размером 7×2 мм) – допустимый дефект.

Результаты ультразвукового контроля были аналогичными резуль­татам рентгенографического контроля: на образце №1 (рисунок 3) отсутствие дефектов, на образце № 2 (рисунок 4) обнаружены дефекты: поры (единичные «Аа» размером. 1×1 мм) – допустимый дефект, неметаллические включения («Ва» размером 7×2 мм) – допустимый дефект.

Рисунок 5. Результат УЗ контроля образца №2

При УЗК с применением ФАР для контроля образца №2 исполь­зовался дефектоскопа HARFANG Х32 на фазированных решетках. Для проведения УЗК образца №1 использовался томограф А1550 IntroVisor на фазированных решетках. Дефектоскопия обоих образцов проводилась 32-элементным преобразователем с рабочей частотой 7.5 МГц со съемной прямой призмой.

Скорость сканирования составляла 15 мм/с для образца №2 и 10 мм/с для образца №1 при перемещении преобразователя вдоль шва. Результаты анализа полученных данных предоставлены ниже.

Рисунок 6. Объяснение видов, используемых при обработке сигналов

Рисунок 7. Результат сканирования дефектного участка образца №2 (S-скан с наложенным контуром шва), зелеными овалами отмечены сигналы от валика усиления

Рисунок 8. Результат сканирования образца №1 (томограмма)

При данном виде контроля применялась схема одновременного сканирования на прямом и однократно-отражаемом луче, что обеспе­чивалось электронным сканированием луча и исключало перемещение преобразователя поперек шва.

Анализ полученных результатов. Дефектоскопия образца № 1, проведенная на томографе А1550 IntroVisor, дала результаты, идентичные предыдущим методам НК (дефектов обнаружено не было). Иная ситуация с Образцом №2 (контроль осуществлялся с помощью дефектоскопа HARFANG Х-32). УЗК с применением фазированных решеток не только подтвердил дефекты, выявленные в предыдущих методах НК, но и обнаружил новый дефект в образце №2 (неметал­лические включения). При этом полученные данные (рисунок 7) позволили определить параметры и координаты дефектов, находящихся в сварном соединении 2-го образца: поры (размером 1×1 мм) – допустимый размер дефекта; неметаллические включения (размером 7×2 мм) – допустимый размер дефекта; неметаллические включения (размером 0,5×1 мм) – допустимый размер дефекта.

Анализ полученных данных контроля образца №1 (рисунок 8) показал отсутствие дефектов.

Выводы. На основании вышеперечисленных результатов можно сделать следующие выводы относительно использования ультразву­кового метода с применением фазированных решеток при проведении неразрушающего контроля фрагментов трубопроводов:

• высокую выявляющую способность и достоверность данного метода в отношении различного рода поверхностных и внутренних дефектов основного металла и металла сварных швов объектов контроля;
• отображение результатов контроля в режиме реального времени с возможностью точного определения местонахождения дефекта и его характеристик;
• возможность записи процесса контроля, результатов контроля и, при необходимости последующей обработкой информации (постанализ);
• способность достаточно точно определять размеры дефектов.

Таким образом, можем заключить, что использование ультразву­кового метода с применением фазированных решеток при проведении неразрушающего контроля фрагментов трубопроводов повышает достоверность результатов контроля технического состояния сварных стыков и околошовных зон магистральных трубопроводов.

Список литературы:

1. Буклешев Д.О. Образование дефектов в околошовных зонах сварных стыков магистральных газопроводов при воздействии рабочих нагрузок / Д.О. Буклешев // Трубопроводный Транспорт. Теория и практика. – 2016. – №2(54). – М.: ВНИИСТ, 2016. – С. 31-35.
2. Буклешев Д.О. Неразрушающий контроль околошовных зон сварных стыков магистральных трубопроводов / Д.О. Буклешев // Нефтегазовое дело. – 2016. – №1, Том 14. – С. 111-114.
3. МР 0107. Методические рекомендации по применению дефектоскопа Х-32-М.
4. РД 08.00-60.30.00-КТН-046-1-05 «Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных нефтепроводов».
5. РД 153-006-02 «Инструкция по технологии сварки при строительстве и капитальном ремонте магистральных нефтепроводов».
6. РД 19.100.00-КТН-001-10 «Неразрушающий контроль сварных соединений».
7. РД 19.100.00-КТН-164-07 «Радиографический контроль качества сварных стыков магистральных нефтепроводов с применением технологии цифровой радиографии».
8. РД 19-100.00-КТН-219-07 «Ультразвуковой контроль качества сварных стыков магистральных нефтепроводов с применением дефектоскопов с фазированными решетками».
9. СНиП III-42-80 Правила производства и приёмки работ. Магистральные трубопроводы. – М.: Стройиздат, 1981.
10. Буклешев Д.О., Яговкин Н.Г. Компьютерное моделирование образования дефектов в околошовных зонах газопроводов / Н.Г. Яговкин, Д.О. Буклешев // Теория. Практика. Инновации. – Стерлитамак: «Вектор науки», 2016. – № 9. – С. 40-48.