Рис. 9. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 5

Авторы: А.Б. Васенин, С.Е. Степанов (АО «Гипрогазцентр»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №9/2018

При анализе эффективности и надежности работы магистральных трубопроводов, как правило, основной акцент делается на исследовании работы энергетического оборудования [1–3], включая основные технологические установки [4–6], системы энергоснабжения [7–10], их мониторинг [11–14] и оптимизацию [15–18]. Однако не последнюю роль в обеспечении высоких технико-экономических показателей транспорта углеводородов играет и обеспечение целостности и долговечности линейной части самих трубопроводов [19–21]. Для мониторинга состояния трубопроводного транспорта необходимо проводить специальные экспериментальные исследования изменения магнитного поля в превентивных зонах поверхностных дефектов.

В настоящее время для проведения экспресс-диагностики металла подземных трубопроводов и назначения мест шурфований для обследования методами неразрушающего контроля в комплексе с электрометрическими методами применяется метод магнитометрической диагностики [19–21]. Метод основан на измерении величины собственного магнитного поля трубопровода и выявлении аномальных зон магнитного поля, связанных с дефектными участками металла. Однако в настоящее время недостаточно полно установлена связь между магнитными аномалиями и дефектами поверхности труб, что не позволяет обоснованно интерпретировать данные магнитометрии и назначать места шурфований.

Цель разработки – установление зависимости между величиной изменения магнитного поля, создаваемого металлом трубопровода и дефектностью металла в зоне измерений.

Условия проведения исследований и методология

Исследования проводились на фрагменте трубопровода длиной 20 м диаметром 1420 мм, толщиной стенки 16,8 мм, марка стали – 17Г1С. Фрагмент имеет коррозионные и стресс-коррозионные дефекты, образованные в результате его длительной эксплуатации в составе магистрального газопровода (рис. 1).

Рис. 1. Дефекты на поверхности металла исследуемого фрагмента трубы: коррозионные язвы (а), расслоение, каверна (б)
Рис. 1. Дефекты на поверхности металла исследуемого фрагмента трубы: коррозионные язвы (а)
Рис. 1. Дефекты на поверхности металла исследуемого фрагмента трубы: расслоение, каверна (б)

 

 

 

 

 

 

Внутреннее избыточное давление в момент проведения исследования отсутствовало. Изоляционное покрытие удалено. Перед проведением исследования проведен контроль поверхности труб неразрушающими методами контроля (визуально-измерительный контроль и вихретоковый контроль), сварных швов – радиографическим методом.

Измерения магнитного поля проводились с помощью прибора ИКН-3М-12 со сканирующим устройством типа 1-8М. Измерялись нормальная Нн к поверхности трубопровода и продольная Нт составляющие напряженности магнитного поля. При измерениях расстояние от датчиков сканирующего устройства до поверхности трубопровода составляло 2…3 мм.

Измерения производились в узлах прямоугольной сетки, сторона ячейки которой составляла около 30 мм. Длина области измерения – 16 м. При наружном диаметре трубопровода 1420 мм длина окружности равна 4,46 м. Площадь области измерения – около 70 м2.

Рис. 2. Карты распределения нормальной (а) тангенциальной (б) составляющих НМП, измеренной на поверхности фрагмента трубопровода
Рис. 2. Карты распределения нормальной (а) тангенциальной (б) составляющих НМП, измеренной на поверхности фрагмента трубопровода

По результатам измерения строились поверхностные диаграммы – карты распределения нормальной и тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля (НМП) с наложением дефектов и швов (рис. 2). Прямоугольниками обозначены дефекты основного металла трубы по результатам визуально-измерительного и вихретокового контроля, а также дефекты кольцевых сварных швов по результатам радиографического контроля, линиями – проекции кольцевых и продольных сварных швов.

Из рис. 1 и 2 следует, что вблизи кольцевых сварных швов, как правило, имеются аномалии нормальной составляющей напряженности магнитного поля. Аномалией считается изменение параметров магнитного поля на 20 % и более над локальным участком трубопровода относительно фоновых значений.

Однако имеются участки сварных швов, на которых аномалии отсутствуют, и поле имеет ту же величину, что и на соседних участках металла. Полученные данные свидетельствуют, что в ряде случаев в месте расположения дефекта может отсутствовать аномалия магнитного поля и, наоборот, в месте аномалии могут отсутствовать дефекты, определяемые методами неразрушающего контроля.

Для большей наглядности построим графики нормальной и тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, измеренного по линии, вдоль которой найдены дефекты металла методами неразрушающего контроля, и по линии с отсутствием дефектов металла.

Анализ результатов по участкам трубопровода

На рис. 3 приведены графики распределения магнитного поля, измеренного при сканировании по линиям, одна из которых расположена с часовой ориентацией около 8,5 ч и совпадает с положением дефектов КРН, а вторая проходит по бездефектной зоне. Вертикальными линиями на графиках обозначены кольцевые сварные швы.

Рис. 3. Распределение компонент магнитного поля для линии измерения, проходящей по дефектной (а) и бездефектной зоне (б)
Рис. 3. Распределение компонент магнитного поля для линии измерения, проходящей по дефектной (а) и бездефектной зоне (б)

Диаграммы, представленные на рис. 2 и 3, дают общее представление о распределении магнитного поля вблизи поверхности металла трубы. Рассмотрим более подробно магнитное поле участков поверхности трубы с дефектами, выявленными методами неразрушающего контроля. Для детального анализа были выбраны шесть участков (рис. 4), содержащих такие дефекты, как сетки трещин, непровары, включения. Размеры участков 1×0,9 м2. Участки обозначены прямоугольниками с номерами.

Рис. 4. Схема расположения участков, для которых построены детальные диаграммы распределения нормальной составляющей напряженности магнитного поля вблизи металла
Рис. 4. Схема расположения участков, для которых построены детальные диаграммы распределения нормальной составляющей напряженности магнитного поля вблизи металла

Диаграммы распределения нормальной составляющей напряженности магнитного поля представлены на рис. 5–10, где прямоугольниками обозначены проекции дефектов, линиями – проекции кольцевых и продольных сварных швов. Для удобства сравнения диаграмм используется одинаковый масштаб осей нормальной составляющей напряженности магнитного поля.

Рис. 5. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 1
Рис. 5. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 1

Участок 1. Сетка трещин (по данным ВК) размером на поверхности 450×200 мм2, глубиной до 1,8 мм. Имеются две положительные аномалии с амплитудой до 500 А/м и две отрицательные аномалии с амплитудой до 350 А/м в зоне сетки трещин (рис. 5).

Участок 2. Сетка трещин (по данным ВК) размером на поверхности 50×25 мм2, глубиной до 1 мм. Кольцевой сварной шов, дефект сварного шва – неметаллические включения, непровар в корне шва (по данным РК). Имеется положительная аномалия с амплитудой ~700 А/м и отрицательная аномалия с амплитудой около –300 А/м в зоне сетки трещин, слабо выраженная аномалия ~70 А/м, созданная кольцевым сварным швом (рис. 6).

Рис. 6. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 2
Рис. 6. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 2

Участок 3. Кольцевой сварной шов. Дефект сварного шва – непровар в корне шва (по данным РК). Существенных магнитных аномалий не наблюдается. Значение нормальной составляющей напряженности меняется от примерно –150 А/м до ~70 А/м, колебания нормальной составляющей напряженности соответствуют положению кольцевого сварного шва (рис. 7).

Рис. 7. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 3
Рис. 7. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 3

Участок 4. Кольцевой сварной шов. Дефект сварного шва – неметаллические включения (по данным РК). Имеется положительная аномалия с амплитудой ~600 А/м в зоне дефекта сварного шва (рис. 8).

Рис. 8. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 4
Рис. 8. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 4

Участок 5. Кольцевой сварной шов. Дефекты сварного шва – цепочка включений, включение одиночное (по данным РК). Значение нормальной составляющей напряженности изменяется от ~0 А/м до ~200 А/м соответствуют положению кольцевого сварного шва (рис. 9).

Рис. 9. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 5
Рис. 9. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 5

Участок 6. Кольцевой сварной шов. Дефекты сварного шва – скопление включений, подрез, включения одиночные (по данным РК). Значение нормальной составляющей напряженности изменяется от ~100 А/м до ~300 А/м (рис. 10).

Рис. 10. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 6
Рис. 10. Распределение нормальной составляющей напряженности магнитного поля на участке 6

Таким образом, на основании изложенного, можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что вблизи кольцевых сварных швов в 80% случаев имеются аномалии нормальной составляющей напряженности магнитного поля амплитудой от 70 А/м до 600 А/м;

2. В местах расположения сетки трещин наблюдаются магнитные аномалии нормальной составляющей напряженности магнитного поля амплитудой до 700 А/м. Однозначной связи между дефектами других типов и магнитными аномалиями ненагруженного металла не выявлено;

3. Магнитометрический контроль чувствителен к напряженному состоянию стенок труб, поэтому целесообразным является продолжение и углубление исследований в условиях создания напряжений в стенке трубы, близких к эксплуатационным.

Список литературы

  1. Крюков О.В., Степанов С.Е., Титов В.Г. Встроенные системы мониторинга технического состояния электроприводов для энергетической безопасности транспорта газа//Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. №2. С. 5–10.
  2. Крюков О.В., Степанов С.Е. Повышение устойчивости работы электроприводов центробежных нагнетателей на компрессорных станциях ОАО «Газпром»//Газовая промышленность. 2014. №8 (710). С. 50–56.
  3. Крюков О.В., Степанов С.Е. Пути модернизации электроприводных ГПА//Електромеханiчнi I енергозберiгаючi системи. 2012. №3 (19). С. 209–212.
  4. Аникин Д.А., Рубцова И.Е., Киянов Н.В. Проектирование систем управления электроприводными ГПА//Газовая промышленность. 2009. №2. С. 44–47.
  5. Крюков О.В., Краснов Д.В. Перспективы применения преобразователей частоты для регулирования производительности электроприводных ГПА//Газовая промышленность. 2014. №6 (707). С. 86–89.
  6. Крюков О.В., Серебряков А.В., Васенин А.Б. Диагностика электромеханической части энергетических установок//Електромеханiчнi I енергозберiгаючi системи. 2012. №3 (19). С. 549–552.
  7. Васенин А.Б., Крюков О.В., Серебряков А.В., Плехов А.С. АСУ систем электроснабжения на принципах SmartGrid для объектов магистральных газопроводов//Автоматизация в промышленности. 2012. №4. С. 36–38.
  8. Серебряков А.В., Крюков О.В. Интеллектуальные энергетические установки для автономных систем электроснабжения / Нижний Новгород: НГТУ, 2014. 135 с.
  9. Серебряков А.В., Крюков О.В. О новых возможностях технологий SmartGrid//Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2013. №2. С. 47–48.
  10. Захаров П.А., Крюков О.В. Принципы инвариантного управления электроприводами газотранспортных сис—тем при случайных возмущениях//Вестник ИГЭУ, 2008. №2. С. 98–103.
  11. Серебряков А.В., Крюков О.В. Универсальная система мониторинга электродвигателей ГПА//Известия вузов. Электромеханика. 2016. №4 (546). С. 74–81.
  12. Крюков О.В. Встроенная система диагностирования и прогнозирования работы асинхронных электроприводов//Известия вузов. Электромеханика. 2005. №6. С. 43–46.
  13. Крюков О.В. Интеллектуальные электроприводы с IT-алгоритмами//Автоматизация в промышленности. 2008. №6. С. 36–39.
  14. Бабичев С.А., Захаров П.А., Крюков О.В. Мониторинг технического состояния приводных электродвигателей ГПА//Контроль. Диагностика. 2009. №7. С. 33–39.
  15. Бабичев С.А., Захаров П.А., Крюков О.В. Автоматизированная система оперативного мониторинга приводных двигателей газоперекачивающих агрегатов//Автоматизация в промышленности. 2009. №6. С. 3–6.
  16. Серебряков А.В., Крюков О.В. Оптимизация управления автономными энергетическими установками в условиях стохастических возмущений//Промышленная энергетика. 2013. №5. С. 45–49.
  17. Серебряков А.В., Крюков О.В., Васенин А.Б. Нечеткие модели и алгоритмы управления энергетическими установками//Материалы конференции «Управление в технических, эргодических, организационных и сетевых системах». 2012. С. 467–469.
  18. Крюков О.В., Киянов Н.В. Электрооборудование и автоматизация водооборотных систем предприятий с вентиляторными градирнями: монография//Н.Новгород: НГТУ, 2007. 260с.
  19. Milov V.R., Suslov B.A., Kryukov O.V. Intellectual management decision support in gas industry//Automation and Remote Control. 2011. Т. 72. №5. С. 1095–1101.
  20. Крюков О.В., Васенин А.Б., Серебряков А.В. Экспериментальный стенд электромеханической части энергетической установки//Приводная техника. 2012. №4. С. 2–11.
  21. Милов В.Р., Шалашов И.В., Крюков О.В. Процедуры прогнозирования и принятия решений системе технического обслуживания и ремонта//Автоматизация в промышленности. 2010. №8. С. 47–49.