Введение к работе
Актуальность темы
Роль трубопроводного транспорта в системе экономической безопасности России, обладающей запасами углеводородного сырья (нефти и газа) мирового значения, неоценима, наиболее экономически выгодным способом доставки этих видов сырья является транспортировка с использованием трубопроводов, что обуславливает особое внимание к вопросам их диагностики. Проблемы техногенной и экологической безопасности, совершенствование средств и методов неразрушающего контроля требуют постоянного внимания, так как ежегодные крупные аварии приносят колоссальный урон окружающей среде и экономике. В настоящее время средний срок эксплуатации 30% газопроводов превысил тридцатилетний рубеж. Старение магистральных трубопроводов при их протяженности более 200 тыс. км, влечет за собой большой объём работ для своевременного контроля их состояния, в связи с чем требуется применение внутритрубных систем контроля. Значительно уменьшая трудоемкость контроля, исключая человеческий фактор в ходе автоматического съема информации и имея высокую скорость контроля, внутритрубные дефектоскопы позволяют не только контролировать состояние трубопроводов, но и при периодическом контроле отслеживать их остаточный ресурс. К сожалению, большой процент газопроводов из-за их конструктивных особенностей не позволяет использовать данный тип дефектоскопов. Поверхностные сканеры оказываются необходимы как при частичной шурфовке с целью обнаружения и локализации дефектов, выявленных при внутритрубном контроле, так и при выборочном контроле тела трубы и сварных соединений, при проведении переизоляции трубопроводов. Проблема одностороннего доступа к контролируемому объекту возникает при контроле сварных соединений и в процессе производства различного класса изделий, таких как: трубы, профили различного сечения, листовой прокат, баки и цистерны; а также для их последующей безопасной эксплуатации.
Важное место среди используемых методов неразрушающего контроля перечисленных объектов занимают электромагнитные методы, способные обеспечить высокую надежность обнаружения поверхностных дефектов, высокую скорость контроля, возможность бесконтактного съема информации.
Однако каждый из существующих методов имеет значительные ограничения, влияющие на область их применения и достоверность контроля. Так вихретоковый метод контроля, успешно применяемый для поиска поверхностных трещин в изделиях из ферромагнитных материалов, не способен обнаруживать внутренние дефекты. Самым значимым ограничением использования метода утечки магнитного потока (MFL) является диэлектрический зазор между чувствительными элементами и объектом контроля, а также неспособность определить с какой стороны объекта контроля расположен дефект. Значительной сложностью является и выявление произвольно ориентированных дефектов. Известен метод «SLOFEC», заключающийся в доведении контролируемого участка изделия до насыщения постоянным магнитным полем с последующим обнаружением подповерхностного дефекта накладным вихретоковым преобразователем. Недостатками данного метода являются нечувствительность к малым дефектам, вызванная низкой частотой контроля.
Определение дефектов в зоне термического влияния сварного шва затруднено вследствие неоднородности магнитных характеристик контролируемого материала. Реальная зона искажения магнитной проницаемости основного тела трубы и сварного шва значительно отличаются, существующие модели сварного шва не учитывают изменение структуры металла, вызванного разупрочнением в результате воздействия термического цикла сварки.
Несмотря на обилие современных методов и приборов неразрушающего контроля, задача поиска дефектов несплошности во всем теле трубы, в том числе и в околошовной зоне при наличии одностороннего доступа к объекту контроля, полностью не решена, что определяет актуальность исследований и разработок в данном направлении.
Все это свидетельствует об актуальности задачи повышения чувствительности и точности измерения размеров дефектов с учетом зоны термического влияния и особенностей формы сварного шва.
В связи с этим настоящая работа посвящена совершенствованию методов неразрушающего контроля и разработке средств вихретоковой дефектоскопии труб в приложенном постоянном магнитном поле.
Цель диссертационной работы
Цель данной диссертационной работы состоит в совершенствовании теории вихретоко-вого метода контроля в постоянном приложенном магнитном поле, повышении достоверности обнаружения дефектов и их идентификации, создании магнитно-вихретоковых приборов для контроля трубопроводов, качества сварных соединений, автоматизированного контроля изделий различных отраслей промышленности.
Для достижения сформулированных целей потребовалось решить следующие задачи:
Провести анализ существующих методов электромагнитной дефектоскопии, выявить их недостатки и определить круг задач по их совершенствованию.
Разработать способ снижения погрешности оценки глубины дефекта, за счет учета неоднородности зоны термического влияния сварного шва.
Провести исследования и определить изменение выходных сигналов реальной магнитно-вихретоковой системы под воздействием характерных дефектов и влияющих факторов.
Разработать систему вихретокового контроля с матричными преобразователями для увеличения зоны контроля при работе в приложенном постоянном магнитном поле.
Разработать алгоритм настройки системы вихретокового контроля с матричными преобразователями и учесть взаимное влияние вихретоковых преобразователей при проведении контроля.
На основе разработанных алгоритмов и решений создать средства магнитно-вихретоковой дефектоскопии для контроля ферромагнитных материалов, при одностороннем доступе к объекту контроля, с целью выявления как поверхностных, так и внутренних дефектов, таких как трещины, коррозионные поражения, локальные структурные неоднородности и т.д.
Научная новизна
Предложена математическая модель для расчета выходных сигналов накладных вихретоковых преобразователей со стержневым ферромагнитным сердечником в качестве чувствительного элемента и измерительной обмоткой, включенной по дифференциальной схеме, с учетом влияния приложенного постоянного магнитного ПОЛЯ.
Предложены алгоритмы учета неоднородности зоны термического влияния сварного шва, позволяющие повысить достоверность контроля.
Проведено исследование магнитных свойств продуктов коррозии и отложений магистральных нефтепродуктопроводов, а так же их влияния на сигналы вихретокового преобразователя в приложенном постоянном магнитном поле.
Проведены исследования взаимного влияния вихретоковых преобразователей при использовании их в матрице. Предложенные алгоритмы построения матрицы неэкранированных вихретоковых преобразователей и учета их взаимного влияния, позволяют повысить чувствительность контроля и обеспечить гарантированное выявление произвольно ориентированного дефекта малой протяженности, за счет снижения отрицательного взаимного влияния соседних вихретоковых преобразователей.
Для различных режимов контроля получены зависимости вносимых под воздействием поверхностных и внутренних дефектов параметров накладного вихретокового преобразователя в приложенном постоянном магнитном поле от значимых влияющих факторов.
Защищаемые научные положения
Способ снижения погрешности оценки глубины дефекта за счет учета неоднородности зоны термического влияния сварного шва.
Метод учета взаимного влияния соседних неэкранированных вихретоковых преобразователей со стержневым ферромагнитным сердечником в составе матрицы на чувствительность к пороговому дефекту.
Предложенные подходы к конструированию магнитно-вихретоковых преобразователей.
Концепция построения магнитно-вихретоковых дефектоскопов, позволяющих контролировать как поверхностные, так и внутренние дефекты в изделиях из ферромагнитных материалов.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Предложенные алгоритмы аппроксимации результатов измерений и обработки сигналов, использованы в разработанных средствах магнитно-вихретоковой дефектоскопии.
Создан магнитно-вихретоковый преобразователь, предназначенный для использования с вихретоковым дефектоскопом ВД-12НФП, способный работать со всеми ранее выпущенными вихретоковыми дефектоскопами серии ВД-12.
Созданы и внедрены эффективные средства магнитно-вихретоковой дефектоскопии:
вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП;
многоканальный вихретоковый дефектоскоп ВД-91НМ - разработаны три модификации и выпущен опытный экземпляр в модификации для ручного контроля; вихретоковая автоматизированная система контроля ВД-92П, предназначенная для контроля сварного шва труб в процессе производства с возможностью объединения нескольких систем в единый комплекс неразрушающего контроля;
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на V Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Москва, 2002); 1-ой Национальной конференции "Методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики" (Молдова, Кишинев, 2003); III, VI и VII Международных выставках и конференциях «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2004, 2007, 2008); XV Международной конференции и выставки, «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагности-ки»(Украина, Ялта, 2007), 13-ой и 17-ой Международных деловых встречах «Диагностика -2003» и «Диагностика - 2007» (Сочи, 2003, 2007), III Российской научно-технической конференции "Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций", (Екатеринбург, 2007), XV международной конференции "Современные методы и средства НК и ТД", Ялта, 2007, XVIII всероссийской научно-техническая конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (Нижний Новгород 2008); XVII Всемирной конференции и выставке по неразрушающему контролю (Китай, Шанхай, 2008); Международной конференции "Неразрушающий контроль и диагностика - 2009" (Каунас, Литва, 2009); 3-й международной научно-техническая конференции и выставке «Современные методы и приборы контроля качества и диагностика состояния объектов» (Беларусь, Могилев, 2009); 10-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю (Москва, 2010).
По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях из списка ВАК (журналы «Дефектоскопия», «Контроль. Диагностика»). На технические решения, реализованные в разработанных вихретоковых средствах контроля и намагничивающем устройстве, получены 1 патент РФ на изобретение и 3 патента РФ на полезную модель.
Разработанный на основании материалов диссертации вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП занял 1-е место в конкурсе «ИННОВАЦИЯ 2009», проводившемся в рамках VIII Международной выставки и конференции NDT-2009 и награжден золотой медалью IX-го международного форума «Высокие технологии XXI века».
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 194 наименования.
Объем работы составляет 146 страниц, включая 15 таблиц и 91 иллюстрацию.
