Развитие теории и разработка высокоэффективных методов, средств и технологии внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов для обеспечения их безопасной эксплуатации Канайкин Виктор Архипович

Введение к работе

1. 4

1. Актуальность темы 4

2. Состояние проблемы 5

3. Цель диссертационной работы 6

4. Методы исследования 7

5. Научная новизна 7

6. Обоснованность научных положений и достоверность основных результатов и выводов 9

7. Практическая значимость и реализация результатов работы 9

8. Апробация работы 10

9. Публикации 10

1.10. Основные положения, выносимые на защиту 11

2. Основное содержание работы 12

10. Определение основных видов дефектов магистральных газопроводов (МГ), их систематизация и классификация . . 12

11. Развитие теории и повышение информативности внутри-трубной дефектоскопии (ВТД) 16

12. Выбор видов и методов неразрушающего контроля . . 16

13. Развитие магнитного контроля применительно к задачам ВТД МГ 18

14. Повышение информативности ВТД на основе ЭМА метода 43

2.3. Разработка высокоэффективных средств ВТД МГ 48

15. Средства ВТД МГ на основе магнитного метода ... 48

16. Средства ВТД МГ на основе ЭМА метода 62

4. Разработка высокоэффективной технологии ВТД 65

5. Метрологическое обеспечение средств ВТД 67

Основные выводы и результаты 70

Список научных трудов

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность темы

Важность проблемы обеспечения бесперебойной, безаварийной деятельности энергетических артерий страны—магистральных газопроводов (МГ), уложенных глубоко в грунт трудно переоценить.

В настоящее время только на Россию приходится несколько сотен тысяч километров действующих газопроводов. До 2000 г. капитальный ремонт трубопроводов осуществлялся методом полной замены труб с отключением и демонтажем ремонтируемых участков. Такой вид ремонта приводил к огромным материальным затратам.

Основная часть отечественных магистральных газопроводов формировалась в 1970-1980 гг. По данным ОАО «Газпром», средний срок эксплуатации магистральных газопроводов по состоянию на 31 декабря 2009 г. составляет 26 лет. На сегодняшний день значительная часть российских газопроводов перешагнула нормативный срок службы. Этот срок не имеет научно обоснованного физического смысла и носит весьма условный характер. Срок эксплуатации до 80 % газопроводов превысил 15 лет, около 40 % газопроводов эксплуатируются более 25 лет, а некоторые более 30—35 лет. Для поддержания огромной сети трубопроводов в ОАО «Газпром» реализуется комплексная программа реконструкции и технического перевооружения объектов транспорта газа, компрессорныхмстанций и подземных хранилищ газа. Одной из задач, решаемых этой программой, является подготовка МГ к внутритрубной дефектоскопии, её проведение для выявления опасных дефектов и определения надёжности магистрального газопровода.

Эксперты Ростехнадзора в своих отчётах из года в год показывают, что основными угрозами целостности газопроводов являются развитие стресс-коррозии трубопроводов и производственный брак, допущенный при проведении строительно-монтажных работ. Причиной этого является потеря качества изоляционного покрытия на газопроводах, а также недостаточный уровень технического надзора при строительстве газопроводов в 1970— 1980 годах в период бурного развития газотранспортной системы.

В последние годы этим вопросам уделяется особое внимание. Однако, несмотря на общее повышение уровня надёжности газотранспортной системы России, по данным как ОАО «Газпром», так и Ростехнадзора, задача дефектоскопии магистральных газопроводов в целях выявления всех видов коррозионных и конструкционных дефектов не теряет актуальности, а наоборот требует постоянного повышения достоверности и нодёжности контроля.

1.2. Состояние проблемы

Таким образом, создание высокоэффективных методов, средств и технологий внутритрубной дефектоскопии для диагностического обследования состояния газопроводов и оценки опасности обнаруженных повреждений труб - проблема, имеющая важное значение для экономики страны. Для решения данной проблемы необходимо провести научное обоснование сложных технических решений, составляющих основу внутритрубной дефектоскопии (ВТД).

1.2. Состояние проблемы

В связи с большим количеством повреждений труб подземных магистральных газопроводов по механизму как общей коррозии, так и стресс-коррозии в США в конце 50-х, а в СССР в конце 70-х годов были предприняты первые попытки решения проблемы по разработке и созданию внутритруб-ных снарядов-дефектоскопов для инспекции подземных трубопроводов.

Ко времени разработки и создания внутритрубных снарядов-дефектоскопов был накоплен достаточно большой опыт применения на заводах магнитной дефектоскопии труб с неочищенной поверхностью, покрытой тонким, но неравномерным слоем окалины. В дальнейшем работы в этом направлении проводились быстро и успешно и к настоящему времени создано большое количество разных типов снарядов-дефектоскопов, которые являются основным средством ВТД.

Анализ известных теоретических работ и технических решений в этой области показал, что использование магнитных методов для обнаружения дефектов в стенках подземных трубопроводов является довольно трудной задачей в научном плане и не менее трудоёмкой в техническом исполнении. Для решения этой проблемы необходимо выполнить ряд обязательных требований:

система для контроля подземного газопровода должны помещаться внутри трубы и проходить в ней не менее 150 км (это среднее расстояние между компрессорными станциями);

намагничивающая система должна потреблять как можно меньше электрической энергии и должна намагничивать стенки трубы до индукции, близкой к насыщению, так как только при этом условии дефекты внешней поверхности трубы могут быть обнаружены первичными преобразователями;

измерительная система должна иметь устройство для фиксации преобразователей и обеспечивать им наиболее полное сканирование по поверхности трубы;

также необходимо создать системы регистрации дефектов и обработки полученной информации, разработать вспомогательные устройства, необходимых для надёжного выявления всех видов дефектов. Для решения этих задач в зарубежных снарядах-дефектоскопах

используются мощные электромагниты, для обеспечения работы которых необходимы дополнительные секции, в которых размещаются элек-

1. Общая характеристика работы

тронное оборудование и аккумуляторы. Это был своего рода внутритруб-ный "поезд", состоящий из секций, соединённых гибкими шарнирами и массой 10 и более тонн. Двух- и трехсекционные снаряды-дефектоскопы типа «Лайналог» давали хорошие результаты при диагностике состояния действующих газонефтепроводов и выявляли поперечные трещины, эрозионный износ, различные коррозионные повреждения.

Отчественными специалистами ещё в начале 70-х годов был разработан и создан снаряд-дефектоскоп на базе постоянных магнитов для регистрации коррозионных дефектов в газонефтепроводах малого диаметра— 300мм. УДТ-300 был изготовлен на базе постоянных магнитов феррит-барий, более поздняя модификация УДТ-350—на постоянных магнитах самарий-кобальт, в этом было основное отличие отечественных снарядов-дефектоскопов от зарубежных.

В дальнейшем появилась необходимость в разработке надёжных и высокоэффективных средств ВТД магистральных трубопроводов диаметром до 1,5 м.

Для решения этой задачи необходимо было научно обосновать новые технические решения по созданию средств и технологий надёжного выявления наиболее опасных дефектов и обеспечения безаварийной работы магистральных газопроводов.

Решению этой важной государственной проблемы посвящена данная работа.

1.3. Цель диссертационной работы

Цель диссертационной работы состоит в научном обосновании технических решений по внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов на основе развития теории и разработки высокоэффективных методов, средств и технологии внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов для обеспечения их безаварийной эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить и классифицировать по степени опасности характерные типы дефектов магистральных газопроводов, установить возможности их выявления и дефектометрической оценки различными методами неразрушающего контроля.

2. Разработать обобщённую расчётную модель, адекватно описывающую взаимодействие характерных дефектов газопровода с первичными преобразователями средств неразрушающего контроля.

3. Обобщить теоретические и экспериментальные исследования о взаимосвязи между параметрами характерных дефектов газопровода с выходными сигналами первичных преобразователей средств неразрушающего контроля при различных условиях контроля и воздействиях мешающих факторов. Научно обосновать и определить наиболее информативные для внутритрубной дефектоскопии газопроводов параметры сиг-

1.4. Методы исследования

налов, регистрируемых средствами неразрушающего контроля.

4. Разработать алгоритмы дефектометрической оценки параметров выявленных при внутритрубной дефектоскопии дефектов.

5. Исследовать различные факторы, влияющие на выявляемость характерных для магистральных газопроводов дефектов и определить методы и средства их подавления.

6. Установить предельные возможности выбранного основным вида неразрушающего контроля газопроводов и определить пути их расширения за счёт применения дополнительных видов контроля.

7. Разработать концепцию построения снаряда-дефектоскопа для внутритрубной дефектоскопии, его конструкцию и определить режимы и способы движения, считывания, координатной привязки, хранения и обработки информации.

8. Создать и внедрить снаряды-дефектоскопы и необходимые вспомогательные средства высокой надёжности для проведения внутритрубной дефектоскопии с безусловным выявлением опасных дефектов.

9. Разработать технологию внутритрубной дефектоскопии магис
тральных газопроводов на основе созданных снарядов-дефектоскопов и
вспомогательных средств.

10. Разработать и аттестовать стандартный образец с характерными дефектами для метрологического обеспечения средств внутритрубной дефектоскопии.

11. Реализовать на основе разработанных средств контроля и технологий проведение внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов в объёме, требуемом для обеспечения их безаварийной работы.

1.4. Методы исследования

Исследования проводились на основе апробированных и корректных численных и аналитических методов расчёта и анализа магнитных полей, математического и физического моделирования, прикладной статистики и интерпретации статистических данных.

Результаты теоретических исследований проверены и подтверждены экспериментами, а также данными многочисленных испытаний и обследований магистральных трубопроводов с помощью разработанных внутритрубных снарядов-дефектоскопов.

1.5. Научная новизна

1. Разработана концепция построения снаряда-дефектоскопа для внутритрубной магнитной дефектоскопии с намагничивающей системой на постоянных магнитах, не требующих мощных источников питания. Предложенная концепция включает общую компоновку снаряда-дефектоскопа, применение дополнительного к продольному поперечного намагничивания, выбор первичных преобразователей, их размещение, ори-

1. Общая характеристика работы

ентацию и схемы включения, применение кассет с первичными преобразователями в виде эластичных ласт, применение системы автоматического регулирования скорости движения снаряда-дефектоскопа и ряда вспомогательных устройств.

2. Для выбранного основным магнитного контроля предложена обобщённая расчётная модель дефектов типа трещин и коррозионных поражений газопровода в виде паза конечной длины и глубины с трапецеидальным продольным и поперечным сечениями. Показана необходимость учёта нелинейности магнитных свойств металла газопровода и их незначительное различие для применяемых в газопроводах сталей разных марок.

3. Разработаны алгоритмы дефектометрической оценки параметров выявленных при внутритрубной магнитной дефектоскопии дефектов с использованием приближенных аппроксимирующих выражений.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований
проведён анализ топографии магнитных потоков рассеяния над харак
терными для магистральных трубопроводов дефектами в основном ме
талле и сварных соединениях при различных режимах намагничивания.
Научно обоснованы и определены наиболее информативные для вну
тритрубной дефектоскопии газопроводов параметры магнитных потоков
рассеяния близкие к оптимальным условия выявления дефектов.

5. Определены предельные возможности магнитного контроля маги
стральных газопроводов при внутритрубной дефектоскопии: приемлемая
для практики вероятность идентификации трещин достигается при их
глубине более 10% от толщины t трубопровода, надёжное выявление
трещин достигается при их глубине более 0,051. Установлено, что не
соответствует требованиям практики вероятность выявления и иденти
фикации трещин малой ширины (менее 50мкм) и (или) длины (менее
10 мм) на фоне общей коррозии, а также не выходящих на поверхно
сти трубопровода расслоений, образующиеся по хрупкому механизму
растрескивания.

6. Показано, что для повышения достоверности ВТД магнитный
контроль целесообразно дополнить электромагнитно-акустическим
(ЭМА) методом. Проведённые исследования показали, что ЭМА метод
позволяет в значительной степени уменьшить ограничения, присущие
магнитному виду контроля и дополнительно получать важную диагно
стическую информацию, в частности, оценивать состояние наружной
изоляции газопроводов и измерять коэффициент концентрации и гра
диенты разности главных механических напряжений.

Установлено, что при измерениях ЭМА методом наибольшая чувствительность к упругим напряжениям в стали достигается при напряжённости магнитного поля Н < 8 000А/м, а при Н > 12 000А/м упругие свойства стали не выявляются.

1.6. Обоснованность научных положений и достоверность результатов 9

1.6. Обоснованность научных положений и
достоверность основных результатов и
выводов

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов обеспечиваются корректностью поставленных задач, представительностью и достоверностью исходных и экспериментальных данных, использованием общепринятых теорий, гипотез и допущений, применением апробированных и корректных методик неразрушающего контроля, методов математического моделирования, а также методов прикладной статистики и интерпретации статистических данных.

1.7. Практическая значимость и реализация
результатов работы

1. Получены практические рекомендации по проектированию средств
ВТД и выбору основных режимов контроля, а также повышению эф
фективности методов, средств и технологии ВТБ МГ. Обоснована це
лесообразность выполнения цилиндрической намагничивающей системы

с полым цилиндрическим магнитопроводом, для продольного намагничивания постоянные магниты размещаются на его концевых участках симметрично относительно оси цилиндра, а для поперечного намагничивания равномерно вдоль образующей магнитопровода размещаются четыре постоянных магнита Н-образной формы с чередующейся полярностью. Установлено, что для уменьшения и стабилизации магнитного сопротивления магнитной цепи целесообразно применять щётки с коэффициентом заполнения порядка 10%, размещаемые на рабочих торцах постоянных магнитов.

4. Установлено, что наилучшие условия магнитного контроля по достоверности, производительности и точности координатной привязки достигаются при скорости движения снаряда-дефектоскопа равной 2 м/с с диапазоном 1,5.. .2,5 м/с. Для автоматического регулирования скорости движения снаряда-дефектоскопа разработаны специальные системы, состоящие из байпасныхустройств различной конструкции, датчиков скорости, исполнительных механизмов, блоков управления и регистрации.

5. Разработана технология внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов на основе созданных и сертифицированных в России и за рубежом снарядов-дефектоскопов с байпасным устройством типа ДМТ и ДМТП и вспомогательных средств: скребка очистного, снаряда калибра, магнитного очистного поршня, снаряда-профилемера, камер запуска и приёма внутритрубных средств дефектоскопии. Разработанные снаряды-дефектоскопы и вспомогательные средства, имеют высокую надёжность и способны обследовать более 1500 км трубопроводов без ремонтов и замен.

6. Для обнаружения и измерения параметров дефектов, выходя-

1. Общая характеристика работы

щих на внутреннюю поверхность трубопровода разработан и внедрён снаряд-интроскоп "MFL+", позволяющий упростить при магнитной дефектоскопии разделение сигналов от дефектов с внутренней и внешней поверхностей трубопровода.

5. Разработан и создан электромагнитно-акустический внутритруб-ный дефектоскоп типа "ДЭМАТ" позволяющий надёжно выявлять трещины глубиной до 1 мм, длиной до 20мм и шириной до Юмкм, определять зоны утонения стенок газопровода, выявлять с вероятностью 85% зоны отслоения изоляции площадью более 100 мм², выявлять и оценивать зоны концентрации механических напряжений длиной и шириной 30 мм с уровнем кольцевых механических напряжения 0,1 а составляет 85%

На основе разработанных средств и технологий внутритрубной дефектоскопии обследовано более 160 000 км магистральных трубопроводов в России и за рубежом при достигнутом ежегодном объёме контроля 20 000 км трубопроводов разных диаметров. За это время выявлено более 3 миллионов опасных дефектов, развитие которых грозило разрушением с аварийными последствиями.

В настоящее время, с учётом полученных автором начных результатов, ежегодно выпускается 12 ... 15 новых снарядов-дефектоскопов ВТД, а модернизируется и совершенствуется около 25 единиц.

1.8. Апробация работы

Основные положения диссертационной работы представлены многочисленными докладами на Международных деловых встречах „Диагностика" в 1996... 2005 гг., на международных научных конференциях („Безопасность трубопроводов" 1995, 1999гг., „Обслуживание и ремонт газонефтепроводов" 2004 г., „Китайско-российский научный симпозиум" 2005г., „World Gas Conference" 2006г.), на европейских и российских научных конференциях („Неразрушающий контроль и диагностика", „Проблемы диагностики КРН и научно-технические решения по определению дефектных участков трубопроводов", „Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация" 2000 г., „Современные методы и средства защиты и диагностики трубопроводных систем оборудования", Европейских конференций по НК и ТД) в 1999-2010гг.

1.9. Публикации

Основные положения диссертационной работы отражены в 52 публикации, в состав которых входят 10 монографий и 16 публикаций в изданиях, входящих в „Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кан-

1.10. Основные положения, выносимые на защиту 11

дидата наук редакции 2010 года", из них 13 работ без соавторов и 6 монографий, общим объёмом более 1000 стр.

1.10. Основные положения, выносимые на защиту

1. Концепция построения снаряда-дефектоскопа для внутритруб-ной магнитной дефектоскопии с намагничивающей системой на постоянных магнитах.

2. Обобщённая расчётная модель дефектов типа трещин и коррозионных поражений в виде паза конечной длины и глубины с трапецеидальным сечением для магнитного контроля магистральных газопроводов.

3. Установленные закономерности изменения магнитных потоков рассеяния над характерными для магистральных газопроводов дефектами в основном металле и сварных соединениях при различных режимах намагничивания.

4. Алгоритмы классификации и дефектометрической оценки параметров дефектов выявленных при внутритрубной дефектоскопии МГ.

5. Обоснование целесообразности и высокой эффективности применения ЭМА метода для выявления стресс-коррозионных трещин малой ширины, оценки состояние наружной изоляции газопроводов, измерения коэффициента концентрации и градиентов разности главных механических напряжений.

6. Новые высокоэффективные методы и средства усовершенствова-ня и создания снарядов-дефектоскопов и необходимых вспомогательных средства высокой надёжности для проведения внутритрубной дефектоскопии с надёжным выявлением опасных дефектов.

7. Высокоэффективная технология комплексной внутритрубной дефектоскопии с использованием магнитного контроля, ЭМА метода и комплекса вспомогательных средств.

Похожие диссертации на Развитие теории и разработка высокоэффективных методов, средств и технологии внутритрубной дефектоскопии магистральных газопроводов для обеспечения их безопасной эксплуатации

Разработка теории ультразвуковых методов и создание средств контроля горячих, быстро движущихся изделийБуденков, Гравий Алексеевич

Разработка методов и средств ультразвуковой дефектоскопии паяных строительных металлоконструкций толщиной 4 - 20мм Ремизов Андрей Леонидович

Развитие методов и разработка средств и способов ультразвукового контроля изделий с криволинейной поверхностью Ушаков Валентин Михайлович

Разработка магнитных методов и средств контроля магистральных газопроводовПатраманский Борис Владимирович

Разработка помехоустойчивых методов и средств многофункциональной ультразвуковой дефектоскопии сложноструктурных изделийСоколов Игорь Вячеславович

Разработка волоконно-оптических методов и средств контроля параметров технологических растворов в химических производствахЛомакин, Геннадий Серафимович

Оценка накопления повреждений в конструкционных металлических материалах акустическими методами для обеспечения безопасной эксплуатации технических объектовХлыбов, Александр Анатольевич

Развитие теории, создание способов, средств и технологии магнитографического контроля сварных соединенийШарова, Александра Михайловна

Разработка теории экранированных вихретоковых преобразователей и их применение для контроля труб нефтяного сортамента Яцун Михаил Андреевич

Разработка методов обработки сигналов акустической эмиссии на основе кластерного анализа для повышения надежности контроля машиностроительных конструкцийКареев Андрей Евгеньевич