Коррозия Территории Нефтегаз № 2 (37) 2017

Современные промышленные технологии широко используют транспортировку нефти или газа по подземным трубопроводам. Ключевой задачей эксплуатационных служб является диагностика технического состояния трубопроводов. Существующие методы определения технического состояния трубопроводов либо трудоемки и экономически малоэффективны, либо неприемлемы по конструктивным особенностям трубопровода.

В настоящее время магнитные измерения на промысловых трубопроводах являются основными технологиями диагностирования, реализуемыми во внутритрубной дефектоскопии и бесконтактной магнитометрической диагностике трубопроводов.

Рис. 1. Общий вид КБД-2

Наиболее информационным методом получения данных о размерах и видах повреждений металла трубопроводов является внутритрубная дефектоскопия (ВТД).

Однако, как показывает опыт работ, лишь около 40 % промысловых трубопроводов технически приспособлены к пропуску снарядов-дефектоскопов, и в ближайшей перспективе не ожидается существенного увеличения доли трубопроводов с возможностью проведения внутритрубной дефектоскопии.

Некоторые дефекты не регистрируются, например не фиксируются коррозионные повреждения в зоне продольных заводских швов и продольных трещин [1]. Этот фактор вынуждает специалистов по эксплуатации комплексировать методы контроля и проводить работы с существенным увеличением объемов контрольных шурфовок для уточнения параметров дефектов.

Ограничения использования метода внутритрубной дефектоскопии на промысловых трубопроводах объясняются также отсутствием универсальных снарядов-дефектоскопов для выявления дефектов произвольной ориентации по диапазонам малых диаметров трубопроводов и требованиями к равнопроходности по внутреннему сечению трубопровода. Необходимо также отметить высокую стоимость работ по подготовке трубопровода к внутритрубной диагностике и непосредственно работ по прогону ВИП [2].

Рис. 2. Проведение полевой диагностики с КБД-2

Для решения перечисленных проблем в ряде организаций разработана аппаратура для внетрубной диагностики (прибор «СКИФ» МБС-04 фирмы НТЦ «Транскор-К», прибор ИКН-3-12 фирмы «Энергодиагностика» и др.).

Эти приборы используются в методах магнитометрического обследования стальных трубопроводов, при котором измеряется постоянное магнитное поле вдоль трубы. Аномалии в измеренном поле, по мнению разработчиков аппаратуры, обусловлены изменением магнитной структуры металла в зонах концентрации напряжений и коррозионно-усталостных повреждений.

В то же время в сложных случаях бесконтактной диагностики существующая аппаратура оказывается недостаточно эффективной. Ошибки в диагностике могут объясняться вариативностью причин фиксируемых при бесконтактной диагностике аномалий остаточного намагничивания [3], недостатками конструкций приборов и методик измерений, неоднозначностью и упрощенным характером интерпретации наблюдений, а также большой ориентационной погрешностью и погрешностью привязки наблюдений.

Преодолеть указанные недостатки или уменьшить их влияние предлагается за счет использования комплексной диагностики трубопроводов, усовершенствования и улучшения технических параметров применяемых средств измерений и способов их использования при интерпретации результатов измерений. Существует также техническая возможность уменьшить погрешности магнитометрических наблюдений за счет встроенных датчиков переменного поля и возможности получения автоматизированных речевых рекомендаций оператору о направлении перемещения к оси наблюдения. Эти возможности реализует магнитометрический комплекс бесконтактной диагностики КБД-2, разработанный по заказу ПАО «Газпром нефть».

Рис. 3. Испытательный стенд из отрезков труб на полигоне

В основу предлагаемого метода комплексной диагностики технического состояния нефтепроводов заложены измерение постоянного и переменного магнитных полей, а также обработка и интерпретация измерений с помощью специального программного обеспечения, входящего в состав автоматизированного рабочего места диагностики (АРМ-Д). В отличие от перечисленных выше приборов комплекс бесконтактной диагностики КБД-2 позволяет измерять в реальном времени до 40 параметров постоянного поля, включая полную объемную матрицу градиентов поля, и параметры переменного магнитного поля (используя также поля катодной защиты).

Как известно, основная идея магнитометрического метода бесконтактной диагностики состоит в использовании корреляционной связи реальных дефектов трубопровода и возникающих в этом случае аномалий магнитного поля. Вследствие множества влияющих и неучитываемых факторов эта связь является статистической. Поэтому для максимально возможной точности выделения дефектов, определения их координат и геометрических характеристик необходимо увеличить количество измеряемых и независимых параметров и повысить их информативность.

ЭТАПЫ НИОКР ПО СОЗДАНИЮ КОМПЛЕКСОВ КБД-2 И КБД-2П

Перед проведением НИОКР были выполнены сравнительные испытания прототипа комплексов КБД-2 и КБД-2П – аппаратуры КБД-1 на объектах ПАО «Газпром нефть», обследованных внутритрубными дефектоскопами (ВТД). В результате сравнительных испытаний была получена высокая сходимость выявленных дефектов КБД-1 и ВТД. Также были установлены уровни и характерные особенности фоновых значений магнитного поля трубопровода и аномалий от дефектов. По сравнению с магнитометрами, работающими на других физических принципах, феррозондовые датчики дали максимальную погрешность 20 нТл в диапазоне измеряемого постоянного магнитного поля от –450 до 450 мкТл. Результаты испытаний показали перспективность разработки и необходимость усовершенствования конструкции прибора путем уменьшения его габаритов и массы, а также увеличения чувствительности и количества датчиков.

Рис. 4. Повысотная регистрация магнитных полей

В 2009 г. на первом этапе было проведено математическое моделирование магнитных полей рассеяния от дефектов с пересчетом их по высоте. В результате была доказана принципиальная возможность выделения дефектов. Для настройки датчиков была разработана мера магнитной индукции (ММИ), которая использовалась при изготовлении устройства. В 2010 г. было разработано и изготовлено немагнитное поворотное устройство для калибровки феррозондовых магнитометров в мере магнитной индукции. Благодаря особенностям конструкции феррозондов и методики калибровки удалось добиться снижения погрешности определения разностей компонент постоянного магнитного поля до 10 нТл, что, согласно результатам моделирования, достаточно для выявления дефектов на глубине залегания до 5 м. Получен патент № 2568808 на способ и устройство для бесконтактной диагностики технического состояния подземных трубопроводов [4].

В 2011 г. был изготовлен первый опытный образец КБД-2 (рис. 1 и 2). Его конструкция состояла из трех магнитометров-градиентометров, закрепленных под прямыми углами друг к другу в центре каркаса ранцевого типа. На концах каждого магнитометра-градиентометра находятся трехкомпонентные феррозондовые магнитометры, оси которых при измерениях ориентированы в трех взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль оси трубопровода, поперек оси трубопровода и вертикально вверх – перпендикулярно оси трубопровода. Такая конструкция позволяет получать 18 значений компонент магнитного поля и девять разностей компонент, в первом приближении – полную матрицу градиентов поля. Помимо магнитометров-градиентометров в состав КБД-2 включены индукционные датчики, использование которых позволило получить информацию о состоянии изоляции и уточнять местоположение узла датчиков.

Для испытания изготовленной конструкции КБД-2 был построен полигон «Ладога» (рис. 3), на котором были установлены восемь участков трубопроводов диаметром 114 и 219 мм, каждый длиной 45 м и с различной толщиной стенки t – от 5 до 10 мм. Испытания КБД-2 проводились на разной высоте трубных участков. На образцы были нанесены искусственные дефекты типа продольной канавки глубиной 0,35–0,5t (внутренние и наружные). Для имитации процессов развития коррозионных дефектов трубы подвергались нагружению циклическим внутритрубным высоким давлением с использованием разработанной гидравлической станции.

С помощью КБД-2 выполнялись измерения магнитного поля на нескольких высотах, имитирующих погружение трубопровода, с использованием штатива на подвижной немагнитной платформе. Испытания КБД-2 на полигоне показали, что искусственные дефекты типа ручейковой коррозии глубиной 0,35t уверенно выявляются по особенностям компонент и градиентов поля до высоты 3 м (рис. 4) между верхней кромкой труб диаметром 114 и 219 мм и центром системы датчиков (табл. 1 и 2).

В 2012 г. были проведены первые полевые испытания комплекса КБД-2 на трубопроводах месторождений ПАО «Газпром нефть». По выявленным аномалиям производились шурфовки для проверок методами магнитного сканирования (МС) и ультразвуковой толщинометрии (УЗТ). Из 10 контрольных шурфов девять содержали дефекты с глубиной выноса металла (более 35 % толщины стенки).

В 2013 г. был изготовлен усовершенствованный промышленный образец КБД-2П (рис. 5 и 6). Габаритные размеры комплекса были уменьшены в два раза, а масса – в четыре раза за счет уменьшения базового расстояния между датчиками и увеличением чувствительности датчиков. Чувствительность увеличена благодаря использованию инновационной схемотехники с низким уровнем шумов в цепях обратной связи датчиков поля. Комплекс был снабжен защитным кожухом. Технические характеристики КБД-2П приведены в табл. 3.

В 2013 г. были проведены опытно-методические испытания КБД-2П на действующих нефтепромысловых трубопроводах и высоконапорных водоводах.
В результате проведенного дополнительного дефектоскопического контроля (ДДК) трубопроводов в зонах аномалий магнитного поля, выявленных по данным КБД-2П, методами магнитного сканирования и ультразвуковой толщинометрии в шурфах были обнаружены опасные дефекты.

Рис. 5. Общий вид КБД-2П без кожуха

Выявляемость опасных дефектов по данным шурфования составила 85 %. Результаты испытаний подтвердили характеристики комплекса, полученные на полигоне.

В 2014 г. проводились сравнительные испытания КБД-2П на напорном нефтепроводе с данными внутритрубной дефектоскопии. С учетом возможного взаимного расхождения координат магнитных аномалий в 3 м результативность выявленных опасных дефектов составила 90 %.

ТЕХНОЛОГИЯ БЕСКОНТАКТНОГО МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

С 2014 г. и до настоящего времени по разработанной и утвержденной заказчиком технологии бесконтактного магнитометрического контроля БМК проводятся опытно-эксплуатационные испытания КБД-2П, включенные в экспертные работы по ревизии и диагностике, продлению сроков безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов.

Технология бесконтактного магнитометрического контроля БМК промысловых трубопроводов осуществляется поэтапно в следующем порядке:

1-й этап – рекогносцировочные работы, выполняются в целях трассирования трубопровода и определения координат точек трассы трубопровода, а также оценки инженерно-технологической обстановки на объекте проведения работ. Определение координат точек трассы трубопровода производится с помощью прибора спутниковой GPS-навигации;

2-й этап – проведение магнитометрических измерений с использованием КБД-2П в целях выявления, локализации и оценки опасности зон концентрации напряжений (ЗКН), связанных с потенциально опасными зонами, вызванных коррозионными и/или механическими повреждениями. Оператор равномерно со скоростью 0,5 м/с перемещает комплекс вдоль оси трубопровода, руководствуясь речевыми автоматизированными рекомендациями по направлению движения оператора, показывающими направление приближения к оси трубопровода;

3-й этап – камеральная обработка и интерпретация полученных магнитометрических данных с составлением перечня потенциально опасных зон.

Обработка и интерпретация магнитометрических данных, получаемых комплексом бесконтактной диагностики КБД-2 проводится с помощью специального программного обеспечения, входящего в состав АРМ-Д. Исходными данными для интерпретатора, работающего с определенным участком трубы, являются файлы с записью 40 параметров, полученные при перемещении оператора вдоль проекции оси трубопровода, а также файлы с метками GPS.

Обязательным элементом интерпретации является получение и сравнение магнитограмм от двух проходов, выполненных в одном направлении. За счет того, что регистрируемое магнитное поле подвержено влиянию подвижек оператора в магнитном поле Земли (неравномерный шаг, локальные изменения положения оператора относительно оси трубопровода и т. п.), анализ данных по двум независимым проходам дает возможность отделить аномалии, не связанные с дефектами на трубопроводе, от аномалий, связанных с близко расположенными ферромагнитными предметами, и получать информационные параметры поля с большей статистической представительностью. Использование фильтрации на основе быстрого Фурье-преобразования дает возможность существенно уменьшить влияние неинформативных флуктуаций компонент поля и их градиентов.

Пример магнитограммы градиентов поля для двух проходов приведен на рис. 7.

Рис. 6. Проведение полевой диагностики с КБД-2П

Производятся сопоставления значимых информационных параметров по первому и второму проходу измерений, которые ранжируются с использованием 3-балльной шкалы оценок.

В целом процесс интерпретации можно представить в виде трех стадий: вначале интерпретатор поочередно просматривает значимые информационные параметры ЗИП по двум проходам. По набранным суммам ЗИП производится ранжирование с использованием 3-балльной шкалы. Затем по параметрам встречаемости разных признаков интерпретатор присваивает каждой аномалии ранг, по которому производится классификация аномалий по их степени опасности.

На последней стадии интерпретатор устанавливает GPS-координаты аномальных зон (рис. 8);

4-й этап – проведение детализационных работ на выделенных потенциально опасных зонах по данным КБД-2П;

5-й этап – проведение шурфовых работ и измерений на трубопроводе методами контактной диагностики в зонах, выделенных КБД-2П, в целях локализации и регистрации опасных дефектов с использованием ультразвуковых и магнитных сканеров.

Рис. 7. Девять градиентов постоянного поля на 100-метровом участке трубы. На рисунке представлены графики первого и второго проходов оператора. Вертикальным красным маркером отмечена магнитная аномалия

РЕЗУЛЬТАТИВНОСТЬ ОПЫТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ

Анализ работ, выполненных на объектах заказчика в 2014–2016 гг., показал высокую результативность метода бесконтактного магнитометрического контроля для выявления опасных дефектов на трубопроводах ПАО «Газпром нефть». В табл. 4 и на рис. 9 представлены данные статистики выявляемости опасных дефектов за период с 2014 г. по настоящее время на трубопроводах ПАО «Газпром нефть».

ЭФФЕКТ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ПРИНЯТИИ РЕШЕНИЯ О РЕМОНТЕ ТРУБОПРОВОДА

Диагностика с использованием КБД-2П показала высокую точность позиционирования (определения местонахождения на трассе трубопровода) дефектов металла. При бесконтактном обследовании с помощью КБД-2П ошибка позиционирования существенно сокращена вследствие определения местоположения дефектов на трассе при помощи той же системы измерения расстояния, что и при проведении обследования.

При наличии доступа по трассе трубопровода применение бесконтактной технологии с использованием КБД-2П не требует особой подготовки объекта к обследованию, изменения рабочих режимов транспортирования продукта. Аппаратура позволяет выявлять дефекты различных типов (в том числе продольные трещиноподобные дефекты, дефекты монтажных соединений), не имеет ограничений по диаметрам обследуемых трубопроводов и их конструктивным особенностям (углам поворотов, подъемов, толщине стенки трубы, рабочему давлению в трубопроводе и т. п.) и обеспечивает возможность применения на объектах, технически не готовых к проведению внутритрубной дефектоскопии.

В то же время эти особенности конструкции могут фиксироваться аномалиями магнитного поля и выявляться при обработке и интерпретации. При этом отмечено, что в зонах кольцевых швов на вновь построенных трубопроводах фиксируются интенсивные аномалии магнитного поля, препятствующие кондиционному обследованию трубопроводов до одного года после завершения СМР. Однако в ходе НИОКР характеристики аномалий «свежих» сварных швов не изучались, так как приоритетом являлась тематика коррозионных повреждений. Представляется, что новая тема должна быть изучена на предмет использования магнитометрии для экспресс-оценки качества сварных швов при СМР.

 
Рис. 8. Визуализация обследуемого трубопровода на карте-схеме. Красным отмечены координаты аномалий

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые в мировой практике получена возможность измерять с использованием КБД-2 и КБД-2П полную матрицу градиентов постоянного магнитного поля трубы для выявления дефектов разного характера и их ранжирования.

Опытно-методические и опытно-промышленные работы с комплексом бесконтактной диагностики КБД-2П показали наибольшую информативность вертикальных градиентов компонент магнитного поля и вертикальных градиентов модулей. Планируется дальнейшее усовершенствование конструкции измерительного комплекса, которое увеличит количество фиксируемых значимых информационных параметров до 100 и более единиц. Очевидно, что такое количество измерительной информации может быть оперативно обработано и проинтерпретировано только автоматизированным программным средством. Поэтому планируется усовершенствование КБД-2П и современного варианта АРМД с полной автоматизацией обработки и интерпретации измеренных данных КБД-2П.

Разработанная и внедряемая на объектах ПАО «Газпром нефть» комплексная БМК существенно повышает результативность традиционных методов диагностики за счет:

• оперативности обработки исходной магнитометрической информации, позволяющей заказчику организовать традиционное обследование трубопроводов в минимальные сроки;

• адресного и объективного назначения мест шурфовки трубопровода при формировании индивидуальной программы диагностических работ;

• проведения мониторинга развития обнаруженных дефектов на локальных участках трубопровода, позволяющего снизить затраты на диагностику и осуществить долгосрочную программу продления ресурса трубопровода в результате выборочного ремонта;

• возможности применения указанной технологии диагностики для оценки состояния трубопроводов на участках, где нет технической возможности или экономической целесообразности проведения внутритрубной диагностики (старые трубопроводы, трубопроводы-отводы, небольшая протяженность участков трубопровода и т. д.).

В целом технология обеспечивает существенное сокращение полного цикла ремонтно-восстановительных работ и существенное сокращение затрат за счет локализации участков, требующих ремонта и оптимизации ремонтно-восстановительных работ, привлечение минимального количества людских и технических ресурсов заказчика.

Рис. 9. Статистика выявляемости опасных дефектов по годам

Таблица 1. Выявляемость дефектов при испытаниях КБД-2 на полигоне для трубы диаметром 219 мм 

Таблица 2. Выявляемость дефектов при испытаниях КБД-2 на полигоне для трубы диаметром 114 мм

Таблица 3. Технические характеристики КБД-2П

Таблица 4. Статистика выявляемости опасных дефектов за период с 2014 г. по настоящее время на трубопроводах ПАО «Газпром нефть»