image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 11 2017

Диагностика

01.11.2017 10:00 Контроль механической целостности магистралей трубопроводного транспорта
При воздействии различных факторов внутренней и внешней среды на элементы магистралей трубопроводного транспорта при добыче, хранении и распределении природного газа, нефти и нефтепродуктов возникает опасность преждевременного разрушения трубопроводов и дестабилизации потока жидкости, газа или их смеси в коммуникационных системах. При этом актуальной задачей является обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводного транспорта путем создания системы его аварийной защиты. Для решения этой задачи предлагается использовать новую разработанную авторами технологию контроля и диагностики целостности нефтегазовых труб, базирующуюся на модифицированном вихретоковом методе диагностики. Метод основан на создании в зоне контроля изделия постоянного магнитного поля, инициировании в ней вихревого электрического поля и вихревых токов в проводящей среде. Вторичное магнитное поле, созданное этими токами, формирует в обмотке специального датчика, устанавливаемого снаружи трубопровода, полезный информационный сигнал, форма и амплитуда которого зависят от механической целостности трубопровода. Предложенная технология предусматривает создание относительного движения датчика и контролируемого изделия за счет вращения трубы или орбитального вращения датчика. При экспериментальной отработке метода в зависимости от условий эксперимента были получены устойчивые сигналы с амплитудой 5 В – 50 мВ при минимальной линейной скорости моделируемого дефекта относительно рабочей поверхности датчика 1–5 м/с без использования усилительных устройств. Амплитуда и форма полученных сигналов зависят от характера моделируемого дефекта, угловой скорости вращения модели, величины зазора между рабочей поверхностью датчика и трубой. Разрешающая способность датчиков, использованных в экспериментальных исследованиях, составляла около 7–8 мм. Эта величина может быть существенно снижена за счет введения в конструкцию датчика редкоземельных металлов в качестве источников постоянного магнитного поля. Диагностика и контроль магистралей трубопровода могут осуществляться для труб, рекомендованных к применению нормативными документами ПАО «Газпром». Предложенный модифицированный вихретоковый метод неразрушающего контроля и диагностики целостности нефтегазовых труб может использоваться как при их изготовлении, так и в процессе эксплуатации. Полученные экспериментальные данные и сравнительный анализ показали экономическую целесообразность применения метода для решения проблем надежности и безопасности эксплуатации магистралей трубопроводного транспорта.
Ключевые слова: магнитное поле, вихревые токи, электрический сигнал, датчик измерения магнитного поля, механическая целостность труб.
Ссылка для цитирования: Володин П.В., Коваленко С.М., Коршаковский С.И. Контроль механической целостности магистралей трубопроводного транспорта // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 11. С. 18–23.
Открыть PDF


Воздействие различных факторов внутренней и внешней среды на элементы магистрального транспорта углеводородов повышает опасность преждевременного разрушения и выхода трубопроводов из строя [1, 2]. В то же время одной из наиболее актуальных задач нефтегазовой отрасли является обеспечение надежности и безопасности эксплуатации производственных объектов. Количественной мерой единичных свойств надежности являются показатели надежности, из числа которых для многокомпонентных систем наиболее используемым является вероятность безотказной работы, под которой, согласно ГОСТ 53480, понимается вероятность выполнения объектом или системой требуемой функции в заданном интервале времени [3, 4]. При этом подразумевается разбивка систем на отдельные элементы и оценка вероятности безотказной работы каждого из них [4]. Оценка вероятности безотказной работы трубопроводов показывает, что, согласно статистике, наиболее часто выходят из строя участки в местах соединений сварными швами [5, 6]. Предотвратить развитие аварий можно за счет своевременных и полномасштабных мероприятий по контролю и диагностике магистралей трубопроводов, в том числе с помощью системы аварийной защиты для устранения ситуаций, связанных с разрушением труб и дестабилизацией потока жидкости, газа или их смеси в коммуникационных системах. Для решения этой задачи предлагается использовать разработанную технологию контроля движущихся электропроводных элементов изделия, основанную на модифицированном вихретоковом методе диагностики [7–12].

1.png 

Физические основы метода

Предложенный метод технической диагностики и контроля состоит в следующем. Вблизи контролируемого электропроводящего узла (например, трубопровода, ротора турбины) устанавливают специальное устройство –
датчик с намагниченным сердечником, создающий постоянное магнитное поле (рис. 1). Контролируемая деталь или датчик приводятся в движение. Поскольку для фиксированной точки проводящей среды магнитное поле переменное, в ней согласно уравнению Максвелла rotE = –∂B/∂t наводится вихревое электрическое поле. В соответствии с законом Ома J = γE в зоне контроля возникают замкнутые вихревые токи с плотностью J, зависящие от удельной электрической проводимости среды γ, скорости движения v, индукции магнитного поля B. Эти вихревые токи создают собственное (вторичное) магнитное поле с индукцией B', подчиняющейся уравнению Максвелла rotB’ = J + ∂D/∂t, где слагаемым ∂D/∂t при сравнительно малых частотах вращения объекта (до 400–600 об/с) можно пренебречь. Переменное потокосцепление в измерительной катушке датчика согласно закону электромагнитной индукции Фарадея ei = –dψ/dt создает в ней напряжение, равное ei, а сам датчик может быть установлен снаружи на корпусе изделия. Таким образом, в зоне контроля индуцируются вихревые токи, магнитное поле которых связано с возможными механическими нарушениями структуры контролируемого элемента изделия. Если в процессе ее испытания или эксплуатации изделия в ней возникает дефект, например трещина, то сигналы с датчика будут отличаться от сигналов в отсутствие дефекта. Сравнение этих сигналов по форме и амплитуде дает возможность судить о механической целостности контролируемой детали.

1_1.png

Конструкции датчиков предусматривают их установку как на неподвижную, так и на подвижную платформу. В первом случае контролируемый объект (труба) приводится во вращение, например, при приемо-сдаточных испытаниях в заводских условиях. Во втором случае в движение приводится датчик. При этом диагностика изделия может быть выполнена с помощью реализующих технологию орбитального контроля механической целостности компактных автоматов, которые используются при контактной орбитальной сварке труб [5, 6]. В зависимости от условий реализации технологических операций применяют рекомендованные нормативными документами ПАО «Газпром» трубы из углеродистых, низкоуглеродистых и низколегированных, высоколегированных аустенитных сталей. Помимо трубопроводов большого диаметра (до 1420 мм) на компрессорных станциях, играющих важную роль в Единой системе газоснабжения России, для транспортировки газа используется целый ряд трубопроводов малого диаметра – от 18 до 219 мм с толщиной стенок 3–4 мм. Это, в свою очередь, диктует необходимость разработки оптимального конструктивного облика датчика.

1_1_1.png

Экспериментальная проверка работоспособности модифицированного вихретокового метода диагностики для решения проблемы контроля трубопроводов проводилась на испытательном стенде кафедры вычислительной техники МИРЭА. Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 2.

Установка содержит: трубу из сплава Д16Т длиной 1 м с наружным диаметром 50 мм и толщиной стенок 4 мм, закрепленную на концах с помощью фланцев в подшипниках; электродвигатель, имеющий 2800 об/мин, ременную передачу, позволяющую ступенчато увеличивать частоту вращения трубы с коэффициентом передачи от 1 до 5; датчик, параметры которого приведены в табл. 1 и 2; устройство для крепления датчика с подвижной платформой, позволяющей регулировать расстояние между рабочей поверхностью датчика и трубой от 0 до 30 мм; компьютер; линии связи.

1_1_2.png

Сигнал с датчика подавался на вход звуковой платы компьютера (Realtek AC97). Далее этот сигнал обрабатывался по стандартной программе в реальном времени, записывался на магнитный носитель информации и выводился на монитор.

Для имитации дефектов в трубе были проделаны отверстия диаметром 1–10 мм, щели шириной 1,5 мм и длиной ~25 мм, вмятины в форме углублений, а также поперечный сварной шов с моделированием его повреждения в виде сквозного пропила шириной 1,5 мм и длиной ~25 мм. В экспериментах использовались также трубы из низкоуглеродистой стали.

1_1_3.png

Полученный сигнал является сложной суперпозицией в пространстве и во времени сигналов электродвижущей силы (ЭДС) электромагнитной индукции, созданных вторичным магнитным полем вихревых токов от каждого элемента объема в рабочей зоне действия внешнего магнитного поля датчика. Генерирование этих сигналов в измерительной катушке датчика сопровождается электродинамическими эффектами, обусловленными фундаментальными физическими законами [13]. Несмотря на то что эти процессы во вращающейся трубе и в последовательно расположенных друг за другом уступах (выступах) при их движении идентичны, форма сигналов существенно отличается от случаев, рассмотренных в [13]. Ожидаемая форма этого сигнала при возникновении дефекта зависит от многих факторов, в первую очередь – от ширины зоны действия первичного магнитного поля, определяемой прежде всего геометрическими параметрами источника поля датчика. При этом, например, сигнал, полученный от единичного отверстия или щели (в форме пропила) не симметричен относительно момента прохождения дефекта оси датчика (при полной симметрии магнитного поля). При достаточно малом радиусе трубы и широкой зоне действия магнитного поля, а также значительных размерах катушки имеет место отмеченная асимметрия сигнала. Для устранения этого эффекта целесообразно уменьшить габаритные размеры датчика с переходом на источник магнитного поля с использованием редкоземельных металлов [14, 15]. Это позволит также увеличить разрешающую способность датчика. В проведенных исследованиях она составляла около 7–8 мм.

На рис. 3–7 представлены некоторые результаты экспериментального исследования при отработке предложенного метода контроля механической целостности труб (um – амплитуда сигнала, d – расстояние между датчиком и трубой, D – диаметр отверстия; масштабная единица по оси времени равна 20 мВ).

1_1_4.png

Во всех проведенных опытах получены устойчивые сигналы электромагнитной индукции без использования усилительных средств. Амплитуда сигналов в зависимости от расстояния между датчиком и трубой (2–25 мм) составляла 5 В – 50 мВ. С увеличением размера дефекта амплитуда увеличивается.

Проведенные исследования показали работоспособность предложенного способа неразрушающего контроля. Дальнейшее развитие метода связано с совершенствованием конструкции датчика и системы сбора данных, а также с созданием базы данных характерных дефектов в трубопроводе, проведением экспериментальных исследований на натурных объектах в целях отработки метода.

 1_1_5.png

Экономическая целесообразность применения метода

Подавляющее большинство современных систем неразрушающего контроля, применяемых в нефтегазовой отрасли, используют контроль на основе ультразвука или ионизирующего рентгеновского излучения. У этих систем есть как свои преимущества, так и недостатки. К числу последних можно отнести сложность диагностического оборудования и его высокую стоимость. Так, например, системы неразрушающего контроля для нефтегазовой отрасли, использующие ионизирующее излучение, представляют собой аппаратный комплекс, размещаемый на автомобильной платформе. Более детальная информация представлена в табл. 3.

 

Заключение

Можно утверждать, что вихретоковые системы неразрушающего контроля являются достойной и недорогой альтернативой традиционно используемым в нефтегазовой отрасли рентген-установкам. Разумеется, вихретоковые системы неразрушающего контроля не могут полностью заменить традиционные системы. Однако благодаря своей компактности и высокой надежности они способны стать эффективным и надежным инструментом для решения большого числа производственных задач.
В совокупности с невысокой стоимостью вихретоковых систем и простотой работы это может позволить предприятиям нефтегазового сектора снизить расходы как на приобретение и обслуживание оборудования, так и на оплату выполнения работ.

Таблица 1. Технические характеристики индукционных датчиков

Table 1. Technical characteristics of induction sensors

Тип датчика 

Sensor type

Наружный диаметр
корпуса, мм 

Frame outside diameter, mm

Высота корпуса с крышкой, мм 

Frame height with a cap, mm

Диаметр провода, мм 

Wire diameter, mm

Число витков 

Number of coils

Сопротивление
обмотки, Ом 

Winding resistance, ohm

Д-1 

D-1

25,5

28,5

0,065

2100

280

Д-2 

D-2

36,0

22,5

0,065

3000

443

Таблица 2. Параметры сердечников

Table 2. Parameters of cores

Тип датчика 

Sensor type

Марка ферромагнетика 

Ferromagnetic alloy mark

Диаметр, мм 

Diameter, mm

Длина, мм 

Length, mm

Индукция на торце, Тл 

Face induction, T

Д-1 

D-1

ЮНДК35Т5АА

YuNDK35T5AA

10

67

0,067

Д-2 

D-2

ЮНДК35Т5АА

YuNDK35T5AA

10

91

0,086

Таблица 3. Сравнение используемых методов неразрушающего контроля

Table 3. Comparison of the used non-destructive testing methods

Параметр сравнения 

Comparison parameter

Методы диагностики 

Diagnostic methods

Вихретоковый 

Eddy current

Ультразвуковой 

Ultrasound

Рентген 

X-ray

Объем первоначальных инвестиций в приобретение комплексов диагностики 

Volume of initial investments into the acquisition of the diagnostics package

Низкий. Приобретается программно-аппаратный комплекс, состоящий из датчика и пакета программ для ПК 

Low. One acquires a hardware and software package consisted of a sensor and a software package for PC

Средний. Приобретается специальный программно-аппаратный комплекс 

Medium. One acquires a specialized hardware and software package

Высокий. Приобретаются специальное оборудование
и средства его транспортировки 

High. One acquires specialized equipment and means for its transportation

Объем затрат на содержание и эксплуатацию комплекса диагностики 

Expenses on the maintenance and operation of the diagnostics package

Низкий. Датчик, вышедший из строя, заменяется новым. Пакет программ может быть установлен на любом ПК 

Low. An out-of-order sensor is replaced by a new one. A software package can be installed on every PC

Средний. Комплекс диагностики требует поверки на регулярной основе с использованием специального оборудования 

Medium. A diagnostics package requires calibration with the use of specialized equipment on a regular basis

Высокий. Требуется обслуживание как самого специального оборудования, так и средств транспортировки 

High. Both specialized equipment and means for its transportation require maintenance

Человекоресурсы 

Human resources

Контроль может осуществлять один человек 

One man can exercise control

Контроль может осуществлять один человек 

One man can exercise control

Контроль может осуществляться несколькими людьми 

Several persons can exercise control

Экологическая безопасность 

Environmental safety

Безопасен. Использует электрическую энергию для питания. Не производит вредных выбросов и излучений 

Safe. It uses electric energy for power supply. It does not produce any hazardous emission and radiation

Условно безопасен. Использует электрическую энергию для питания. Не производит вредных выбросов.
В процессе работы генерируется
УЗ-излучение 

Relatively safe. It uses electric energy for power supply. It does not produce any hazardous emission. Ultrasonic radiation is generated during operation

Условно безопасен. Используются радиоактивные элементы. Системы транспортировки используют углеводородное топливо 

Relatively safe. Radioactive elements are used. Transport systems use hydrocarbon fuel

 



← Назад к списку


im - научные статьи.