ТЕХНОЛОГИЯ  МАГНИТНОЙ  ТОМОГРАФИИ:  ОПЫТ  И  ВОЗМОЖНОСТИ  ПРИМЕНЕНИЯ

Волгина  Наталья  Ивановна

канд.  техн.  наук,  доцент  МАМИ,  г.  Москва

E-mail:  nvolgina2008@rambler.ru

Воробьев  Яков  Владимирович

канд.  техн.  наук,  старший  научный  сотрудник  ООО  НТЦ  «Транскор-К»,  г.  Москва

E-mail:  vorobyov2004@mail.ru

Горошевский  Валериан  Павлович

канд.  техн.  наук,  технический  директор  ООО  НТЦ  «Транскор-К»,  г.  Москва

TECHNOLOGY  OF  THE  MAGNETIC  TOMOGRAPHY:  EXPERIENCE  AND  POSSIBILITIES  OF  APPLICATION

Natalia  Volgina

candidate  Technical,  Associate  Professor  of  Moscow  state  machine-building  university  (MAMI),  Moscow

Yakov  Vorobyov

candidate  Technical,  research  associate  of  Company  LLC  scientific  technical  center  «Transkor-K»

Goroshevskiy  Valerian

candidate  Technical,  Technical  director  of  Company  LLC  scientific  technical  center  «Transkor-K»

АННОТАЦИЯ

Представлен  новый  метод  технической  диагностики  ферромагнитных  материалов  —  бесконтактный  метод  магнитной  томографии.  Подчеркнуто,  что  главной  задачей  МТМ  является  выявление  областей  конструкции  с  повышенным  риском  аварии.  Дополнительной  задачей,  которую  решает  метод  магнитной  томографии,  является  определение  сроков  безаварийной  службы  конструкции.

ABSTRACT

The  new  method  of  technical  diagnostics  of  ferromagnetic  materials  —  a  contactless  method  of  a  magnetic  tomography  is  presented.  It  is  emphasized  that  the  main  task  of  MTM  is  identification  of  areas  of  a  design  with  the  increased  risk  of  accident.  Additional  problem  which  solves  a  method  of  a  magnetic  tomography,  definition  of  terms  of  accident-free  service  of  a  design  is.

Ключевые  слова:  магнитная  томография,  неразрушающий  контроль,  трубопровод,  напряженно-деформированное  состояние

Keywords:  magnetic  tomography,  nondestructive  control,  the  pipeline,  intense  the  deformed  condition

Диагностирование  технического  состояния  стальных  трубопроводов  —  очень  сложная  проблема.  Для  подобных  объектов  при  отсутствии  контроля  на  всем  протяжении  сложен  даже  первый  шаг  оценки  состояния  —  выявление  дефектов  металла  (собственно  дефектоскопия).

Кроме  того,  для  обеспечения  безопасной  эксплуатации  трубопроводов  необходимо  иметь  достоверную  информацию  о  распределении  механических  напряжений  по  длине  объекта,  направление  и  уровень  воздействия  на  трубопровод  внешних  сил.  Современные  численные  методы  оценки  механических  напряжений  пока  не  получили  широкого  распространения  ввиду  многообразия  и  сложности  реальных  условий  эксплуатации.

По  результатам  обследований  и  анализа  разрушений  трубопроводов,  эксплуатирующихся  в  нестандартных  условиях,  установлено,  что  основной  причиной  аварий  явились  чрезмерные  изгибные  деформации,  о  чем  свидетельствует  характер  разрушения  труб:  раскрытие  кольцевых  монтажных  стыков  или  образование  трещин  по  этим  стыкам.  Перенапряжение  труб  происходило  в  результате  действия  неучтенных  в  проектной  документации  нагрузок:  силовое  воздействие  оползающих  грунтов,  размыв  подводных  трубопроводов,  просадка  грунтов  и  оголение  трубопровода  в  карстовой  зоне.

Вопросам  ремонта  линейной  части  магистральных  трубопроводов  посвящены  многочисленные  научно-технические  публикации.  Однако  большинство  из  них  относится  к  капитальному  и  аварийному  ремонту  нефтепроводов.  Что  касается  магистральных  трубопроводов  большого  диаметра,  которые,  в  основном,  были  сооружены  относительно  недавно  и  срок  амортизации  их  еще  не  истек,  то  технология  и  средства  их  ремонта  пока  еще  занимают  мало  внимания  исследователей  [3,  4,  6].

Прогнозирование  изменения  условий  эксплуатации  газопроводов  на  этапе  проектирования  затруднительно.  В  связи  с  этим  возникает  проблема  определения  реально  существующего  в  конструкции  напряженно-деформированного  состояния  трубопровода  с  учетом  эксплуатационных  и  изменяющихся  природно-климатических  нагрузок  для  обоснования  целесообразности,  очередности  и  выбора  ремонтных  мероприятий.  Эта  задача  может  быть  решена  методом  магнитной  томографии  (МТМ). 

Магнитная  томография  —  метод  определения  технического  состояния  трубопроводов  на  основе  оценки  напряженно-деформированного  состояния. 

Главной  задачей  МТМ  является  обнаружение  областей  трубопровода  с  повышенным  риском  аварии.  Дополнительной  задачей,  которую  решает  МТМ,  является  вычисление  параметров  целостности  трубопровода,  таких  как  срок  безаварийной  службы.  Все  современные  нормативные  отечественные  и  зарубежные  стандарты  (ASME,  API,  DNV)  оценивают  локальные  механические  напряжения  исходя  из  геометрии  дефектов.  Однако,  именно  механические  напряжения  (а  не  размеры  конкретного  дефекта)  определяют  целостность  трубопровода!  (рис.  1).

Напряжение

Рисунок  1.  Дефект  в  трубе  и  напряжения,  возникающие  в  ней  при  изгибе

Основные  положения  метода  магнитной  томографии  базируются  на  явлениях  магнито-упругого  и  магнитомеханического  (пьезо-)  эффекта  [1,  2,  5].  Формирование  доменной  структуры  металла  трубопровода  происходит  еще  на  этапе  изготовления  труб  под  воздействием  постоянного  поля  Земли.  В  процессе  эксплуатации  трубопровод  испытывает  множество  различных  механических  нагрузок,  приводящих  к  формированию  зон  релаксации  или  зон  концентрации  механических  напряжений.  Это  участки  наиболее  слабого  сопротивления  разрушению,  где  процессы  зарождения  и  развития  дефектов  происходят  ускоренными  темпами.

Метод  магнитной  томографии  позволяет  по  параметрам  изменения  магнитного  поля  качественно  оценить  деформационную  способность  металла  трубопровода  с  позиции  действующих  в  сечении  напряжений.  Основные  положения  анализа  напряженно-деформированного  состояния  являются  постулатами  теории  сопротивления  материалов  и  являются  базовыми  при  расчетах  критериев  надежности  трубопроводов.

Магнитное  поле  трубопровода  содержит  информацию  о  его  напряженно-деформированном  состоянии.  При  правильной  интерпретации  этой  информации  можно  выявить  не  только  фактические  дефекты,  но  и  оценить  истинное  состояние  трубопровода,  так  как  опасность  разрушения  создается  именно  результирующими  напряжениями.  Например,  если  в  стенке  трубы  имеется  какой-либо  дефект,  то  уровень  напряжений  в  области  дефекта  будет  отличаться  от  уровня  напряжений  в  бездефектной  трубе  (рис.  2).

а                                                                         б

Рисунок  2  Уровни  магнитного  пола  трубы  без  концентраторов  напряжения  (а)  и  с  концентраторами  напряжения  (б)

То  есть  изменение  локальных  механических  напряжений  приводит  к  изменениям  намагниченности  трубопровода.  Это  отражается  на  магнитном  поле  трубы,  и  может  быть  обнаружено  с  помощью  МТМ.

МТМ  позволяет  измерить  напряжения,  без  непосредственного  доступа  к  трубе  и  не  требует  приостановки  работы  трубопровода.  Результаты  измерений  хорошо  коррелируют  с  результатами  принятых  стандартов  оценки  механических  напряжений.

Регистрация  уровня  локальных  механических  напряжений  осуществляется  бесконтактными  магнитометрами  в  процессе  записи  напряженности  магнитного  поля  трубопровода  при  обследовании.  При  этом  изменение  локальных  механических  напряжений  оценивается  по  вектору  направленности  и  уровню  напряженности  магнитного  поля  трубопровода  —  на  основе  магнито-механического  эффекта. 

На  рис.  3  представлен  внешний  вид  магнитометра  СКИФ,  с  помощью  которого  производится  сканирование  объектов.

Рисунок  3  Магнитометр  бесконтактный  сканирующий  МБС-04-1  «СКИФ»

Процедура  проведения  обследования  методом  магнитной  томографии  включает  нескольких  этапов: 

1.  Определение  местоположения  оси  подземного  трубопровода  с  регистрацией  GPS-координат  углов  поворота,  задвижек,  пересечений  с  дорогами  или  другими  коммуникациями.  Работа  выполняется  с  применением  трассоискателя  и  GPS  навигатора  (рис.  4).  На  оси  трассы  устанавливаются  временные  реперы  (указатели).

2.  Сканирование  напряженности  магнитного  поля  трубопровода  с  шагом  записи  информации  не  более  0,02  м.  Работа  выполняется  бесконтактным  магнитометром  серии  СКИФ.  Оператор  с  магнитометром  проходит  по  оси  трубопровода,  отмечая  пройденное  расстояние  от  начала  обследования  (рис.  5).  После  завершения  сканирования  информация  переносится  в  персональный  компьютер  для  последующей  обработки.

3.  Предварительная  обработка  результатов  сканирования,  выбор  и  разметка  на  трассе  участков  под  калибровочные  шурфы.  Калибровочные  шурфы  необходимы  для  уточнения  степени  опасности  и  идентификации  типа  наиболее  опасного  дефекта.  По  результатам,  полученным  в  калибровочных  шурфах,  производится  пересчет  степени  опасности  всех  выявленных  дефектных  участков  (при  необходимости).

4.  По  завершении  полевых  работ  составляется  заключение  о  техническом  состоянии  обследованного  трубопровода  с  расчетом  срока  безопасной  эксплуатации  по  каждому  дефектному  участку,  дефектными  ведомостями  с  указанием  GPS  и  продольных  координат. 

Бригада  из  3-х  человек  в  день  может  обследовать  10—12  км.

Рисунок  4.  Бесконтактный  генератор  трассоискателя

Рисунок  5.  Обследование  подземного  и  надземного  трубопроводов  магнитометром  СКИФ

Метод  магнитной  томографии  позволяет  по  параметрам  изменения  магнитного  поля  качественно  оценить  деформационную  способность  металла  трубопровода  с  позиции  действующих  в  сечении  напряжений. 

В  основу  расчетов  заложен  показатель  степени  опасности  дефектов  металла  F,  который  характеризует  относительное  изменение  уровня  механических  напряжений  трубопровода  как  в  области  дефекта,  так  и  всей  конструкции.

Определение  периода  безаварийной  работы  проводится  с  учетом  закономерностей  изменения  структуры  и  свойств  металла  в  процессе  эксплуатации,  регистрируемых  по  изменению  параметров  магнитного  поля  трубопровода  [2].  Используемый  в  расчетах  показатель  степени  опасности  F  отражает  фактический  уровень  напряженно-деформированного  состояния  металла  в  зонах  выявленных  дефектов,  зафиксированный  на  момент  обследования.  При  этом  остановка  или  изменение  режима  трубопровода  не  требуется.

МТМ  гарантирует  обнаружение  аномалий,  связанных  с  любыми  дефектами  металла  при  уровне  механических  напряжений  от  30  %  до  85  %  предела  текучести  металла  с  вероятностью  обнаружения  ≥  80  %.  Максимальная  вероятность  обнаружения  (>  85  %)  достигается  при  уровне  локальных  напряжений  в  дефектных  областях  от  55  до  65  %  предела  текучести.

Максимальная  достоверность  метода  была  достигнута  при  обследовании  трубопроводов  Западной  Сибири  —  93,5  %.

Следует  отметить,  что  у  метода  магнитной  томографии,  как  и  у  любого  другого  метода  диагностики,  есть  следующие  ограничения: 

·     ослабление  сигнала  при  удалении  от  оси  трубы  более  чем  на  15  диаметров  трубы;

·     возможные  помехи,  связанные  с  высокой  остаточной  намагниченностью  трубы

·     низкая  достоверность  при  уровне  напряжений  меньше  5%  предела  текучести;

·     помехи  от  магнитных  масс,  находящихся  вблизи  трубопровода  на  расстоянии  менее  1  диаметра  трубы;

·     минимальный  диаметр  обследуемой  трубы  —  4  дюйма  (100  мм).

Метод  магнитной  томографии  позволяет 

Бесконтактно  провести  магнитный  контроль  металла  трубопровода  в  объеме  100  %,  выявить  дефекты  металла  любой  природы,  включая:

·     Металлургические  и  брак  производства  (неметаллические  включения,  закаты,  плены);

·     Дефекты  геометрии  (вмятины,  задиры,  овальность);

·     Дефекты  сварных  соединений  (смещения  кромок,  непровары,  отклонения  валика,  нарушения  структуры);

·     Потеря  металла  по  причине  внешней  и  внутренней  коррозии  (язвенная  коррозия,  ручейковая,  стресс-коррозия);

·     Трещиноподобные  дефекты  любой  ориентации

·     Аномалии  напряженно-деформированного  состояния  на  участках  с  провисами,  прогибами,  оползнями  и  т.  п.). 

Список  литературы:

1.Вонсовский  С.В.,  Жур  Я.С.  Ферромагнетизм.  М.-Л.,  Машгиз,  1948,  —  815  с.

2.Горошевский  В.П.,  Камаева  С.С.,  Волгина  Н.И.,  Воробьев  Я.В.  Расчет  безопасного  давления  и  периода  безаварийной  работы  трубопроводов  по  результатам  магнитной  томографии.  «Ремонт,  восстановление,  модернизация»,  —  №4,  —  2010,  —  с.  15—19.

3.Ремизов  В.В.,  Тухбатуллин  Ф.Г.,  Королев  М.И.,  Карпов  С.В.,  Волгина  Н.И.,  Салюков  В.В.  Коррозионное  растрескивание  труб  под  напряжением  —  основная  причина  аварий  магистральных  газопроводов.  Газовая  промышленность.  Серия:  Ремонт  трубопроводов.  Научно-технический  сборник  №  4.  М.:  ИРЦ  Газпром,  2001,  —  с.  3—12.

4.Салюков  В.В.,  Тухбатуллин  Ф.Г.,  Колотовский  А.Н.,  Митрохин  М.Ю.,  Королев  М.И.,  Волгина  Н.И.  Основные  причины  аварий  магистральных  газопроводов.  Ремонт,  восстановление,  модернизация.  —  2002.  —  №  10,  —  с.  12—14.

5.Тимофеев  Б.Б.  Магнитоупругий  метод  исследования  напряжений  в  стали.  Известия  ТНИИСГЭХ.  —  Т.  VI,  —  1954,  —  с.  3—21.

6.Тухбатуллин  Ф.Г.,  Волгина  Н.И.,  Королев  М.И.,  Теплинский  Ю.А.,  Кузьбожев  А.С.,  Бирилло  И.Н.,  Агиней  Р.В.  Применение  магнитного  метода  для  оценки  напряженного  состояния  надземных  трубопроводов.  Транспорт  и  подземное  хранение  газа.  Научно-технический  сборник  №  1.  М:  ООО  «ИРЦ  Газпром»,  2003,  —  с.  3—14.