Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор исследований технического состояния трубопроводов магнитными методами 9
1.1 Использование анизотропии магнитных свойств металла трубопровода для оценки его напряженных состояний 9
1.2 Магнитные поля рассеяния трубопроводов 16
1.3 Исследования кольцевых стыковых швов трубопровода 18
1.4 Эффект Баркгаузена 20
1.5 Метод магнитной памяти металла (ММПМ) 22
1.6 Выводы и постановка задач исследования 26
Глава 2 Магнитометрическая аппаратура 28
2.1 Феррозондовый магнитометр - градиентометр PipeMaG 28
2.2 Описание программы «НВ ТЕСЛА 0204.5a v1.0» для совместной работы магнитометра – градиентометра и персонального компьютера 36
2.3 Аппаратура электромагнитной диагностики трубопроводов АЭМД 46
2.4 Комплекс электромагнитной диагностики трубопроводов 54
2.5 Выводы по главе 2 61
глава 3 Теоретическое исследование магнитных полей трубопроводов 63
3.1 Физические основы магнитометрии трубопроводов 63
3.1.1 Магнитные свойства конструкционных материалов трубопроводов 68
3.2 Теоретические основы дистанционного контроля технического состояния трубопроводов магнитным методом 72
3.2.1 Магнитное поле горизонтального кругового цилиндра 75
3.2.2 Магнитное поле произвольного трехосного эллипсоида 80
3.3 Математическое моделирование магнитного поля трубопровода с дефектами с помощью ANSYS 85
3.4 Выводы по главе 3 94
Глава 4 Экспериментальные исследования магнитного поля модели трубопровода 96
4.1 Методики проведения эксперимента 96
4.3 Зависимость от расстояния 102
4.4 Зависимость от намагничения 107
4.5 Исследования стыков 109
4.6 Оценка погрешности магнитометрического обследования трубопровода 114
4.7 Выводы по главе 4 121
Глава 5 Исследования аномалий постоянного магнитного поля подземных магистральных трубопроводов 123
5.1 Методика исследования магнитных полей подземных магистральных трубопроводов 123
5.2 Результаты исследования магнитных полей подземных магистральных трубопроводов 129
5.3 Выводы по главе 5 134
Заключение 136
Список литературы 138
- Магнитные поля рассеяния трубопроводов
- Описание программы «НВ ТЕСЛА 0204.5a v1.0» для совместной работы магнитометра – градиентометра и персонального компьютера
- Теоретические основы дистанционного контроля технического состояния трубопроводов магнитным методом
- Зависимость от намагничения
Введение к работе
Актуальность темы исследований
Диагностирование подземных нефте - и газопроводов с целью определения его состояния является важной задачей. Во все более возрастающих объемах в России, с этой целью, применяется внутритрубная магнитная диагностика. Однако более 50% трубопроводов не могут быть обследованы этим методом из-за неравнопроходного сечения, отсутствия камер приема и запуска внутритрубных приборов. Кроме того практически не решена задача контроля напряженных состояний трубопроводов с помощью внутритрубной магнитной диагностики. Поэтому дистанционная магнитная диагностика подземного трубопровода является важным направлением. Основное внимание в диссертации уделено повышению эффективности магнитометрического дистанционного определения напряженных состояний и местоположения сварных швов трубопроводов с использованием разработанной аппаратуры, методики и программного обеспечения.
Степень разработанность
В области дистанционного контроля необходимо отметить работы ученых и специалистов: Агиней Р.В., Александров Ю.В., Власов В.Т., Гуськов С.С., Дубов А.А., Загидуллин Р.В., Клюев В.В., Коршак А.А., Крапивский Е.И., Кулеев В.Г., Ломаев Г.В., Лопатин В.В., Максимов И.Л., Михеев М.И., Мужицкий В.Ф., Некучаев В.О., Ригмант М.Б., Семенов В.В., Субботин С.С., Тухбатулин Ф.Г., Шур Я.С., Щербинин В.Е. и многие другие. Однако в большинстве предшествующих работ повышению достоверности определения местоположения сварных швов и напряженных состояний стальных магистральных трубопроводов не уделено, по нашему мнению, достаточного внимания.
Для диагностики магистральных трубопроводов наиболее перспективным является магнитометрический метод дистанционной градиентометрии, позволяющий устанавливать зависимость между напряженностью магнитного поля стального подземного трубопровода и его местоположением в плане и в разрезе, напряженным состоянием и местоположением поперечных
сварных швов. Разработка многодетекторной магнитометрической градиентометрии, методики исследований дистанционного контроля состояния подземных трубопроводов для обеспечения безаварийной эксплуатации, является актуальными.
Цель работы: обоснование способа совершенствования дистанционного контроля, местоположения напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода.
Идея работы: применение многодетекторной системы,
состоящей, по меньшей мере, из трех пар трехкомпонентных
феррозондов постоянного магнитного поля, расположенных
ортогонально друг относительно друга и трехкомпонентного
акселерометра, позволяет дистанционно определять
местоположение напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи исследования:
-
Провести анализ существующих дистанционных методов состояния магистральных трубопроводов и приборов для их осуществления. Дана оценка эффективности их применения для подземных магистральных трубопроводов;
-
Разработать методику магнитометрического метода контроля состояния подземного магистрального трубопровода, на основе применения многодетекторной системы, состоящей из трех пар трехкомпонентных феррозондов постоянного магнитного поля, расположенных ортогонально друг относительно друга и трехкомпонентного акселерометра;
-
На основании полученных в лабораторных и полевых условиях исследовании магнитных полей трубопроводов и теоретических исследований провести модернизацию магнитометрической аппаратуры для контроля местоположения напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода;
-
Разработать новый тип магнитометра градиентометра для исследования магнитных полей трубопроводов;
-
Провести расчеты аномальных магнитных полей стального
трубопровода в среде ANSYS 13. Научная новизна работы:
-
Установлено, что для эффективного исследования и анализа магнитных полей напряженных состояний, необходимо использовать многодетекторную магнитометрическую систему, в которой трехкомпонентные датчики магнитной индукции расположены в различных точках пространства относительно трубопровода;
-
Получены новые зависимости взаимно ортогональных составляющих вектора напряженности постоянного магнитного поля от местоположения сварных швов и напряженного состояния линейной части подземного трубопровода.
-
Исследована форма аномалии магнитной индукции в зависимости от остаточной намагниченности и напряженного состояния трубопровода.
Защищаемые положения:
1. Применение многодетекторной магнитометрической
системы, содержащей не менее трех пар взаимно
перпендикулярных феррозондов, расположенных на различном
расстоянии от трубопровода, и трехкомпонентный акселерометр,
позволяет определять местоположения напряженно-
деформированных состояний и сварных швов линейной части
стального подземного трубопровода с точностью до 0,1 м.
2. Для установления местоположения поперечных сварных
швов трубопровода необходимо определить направление
намагниченности его смежных секций на расстоянии более 1 метра
от сварного шва и форму магнитной аномалии.
3. Экспериментально подтверждено, что напряженно-
деформированные состояния трубопроводов проявляются в
магнитном поле в виде знакопеременных аномалий его
составляющих.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение научных работ в области магнитометрии и магнитного дистанционного контроля стальных изделий,
экспериментальных исследований. В работе использовались экспериментально-аналитические методы исследований: расчеты методом конечных элементов в лицензионной программе ANSYS 13, теория планирования эксперимента, статистической обработки результатов измерений, теория погрешностей.
Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций
Достоверность защищаемых положений и основных выводов обеспечиваются значительным объемом экспериментального материала, хорошей сходимостью результатов параллельных опытов, близостью результатов полевого эксперимента и лабораторного моделирования, положительным результатом диагностирования на действующей линейной части трубы.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Создан аппаратурно-методический комплекс, включающий: три магнитометра, разработанные по техническому заданию (ТЗ) научного руководителя и автора работы, устройство намагничивания, устройство размагничивания и трубу с дефектами.
-
Экспериментально доказана адекватность использования математической модели горизонтального кругового цилиндра для расчета магнитного поля трубопровода конечной длины.
-
Предложен способ диагностики технического состояния трубопровода (заявка на изобретение №2013130749 от 04.07.2013).
Реализация выводов и рекомендаций работы
Разработанная методика магнитометрического
дистанционного контроля местоположения напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода, интерпретации его результатов может быть использована инженерно-техническими работниками при проведении магнитной дистанционной диагностики трубопровода, на предприятиях, эксплуатирующих подземные магистральные трубопроводы, а так же использовано аспирантами при исследовании магнитного поля трубопровода с дефектами.
Личный вклад автора: состоит в постановке цели и задач исследований, участие в составление ТЗ, разработке методики
полевых и лабораторных исследований и их проведении, разработке и обосновании технологии дистанционного магнитометрического метода на базе разработанных и изготовленных устройств. Экспериментальные работы выполнены автором либо при его непосредственном участии.
Апробация работы. Основные положения, результаты экспериментальных исследований, выводы и рекомендации работы докладывались и получили положительную оценку на: 5-я Международная научная школа молодых ученых и специалистов. «Проблемы освоения недр XXI веке глазами молодых» (г. Москва, ИПКОН РАН, 2008г.); 10-я Международная научная школа молодых ученых и специалистов. «Проблемы освоения недр XXI веке глазами молодых» (г. Москва, ИПКОН РАН, 2013г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы рационального природопользования» (г. Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 20082010гг.); Международной конференции «New developments in Geoscience, Geoengineering, Metallurgy and Mining Economics» (Германия, г. Фрайберг, 2009г.); 14-ой и 15-ой Международной конференции «Transport and Sendimentation of Solid Particles» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2008-2009гг.); 6-ой и 7-ой Межрегиональной научно-практический конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера» (г. Воркута, ВГИ (филиала СПГГИ (ТУ)), 2008-2009гг.); X Международной молодёжной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2009» (г.Ухта, УГТУ, 2009г.); Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в науке о Земле и горном деле» (г. Новый Афон, КБГУ и ИГД СО РАН, 2013).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 в рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в список рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 151 странице. Содержит 91 рисунок, 4 таблицы и список литературы из 108 наименований.
Магнитные поля рассеяния трубопроводов
В Институте физики металлов УрО РАН, Белорусской АН и ряде других организаций в течение многих лет ведутся разработки методов исследования магнитного поля напряженных состояний трубопроводов, результаты которых опубликованы главным образом в журналах «Дефектоскопия», «Контроль. Диагностика», в материалах отраслевых совещаний, ИАН [15-25].
Наибольший интерес для дистанционной магнитной диагностики трубопроводов представляют работы, в которых исследованы напряженные состояния упруго и пластически изогнутых горизонтально расположенных труб. В теоретических работах В.Г. Кулеева, М.Б. Ригманта, А.А. Дубова исследованы особенности магнитоупругих явлений в ферромагнитных сталях в малых магнитных полях, перпендикулярных и продольных действию циклических растягивающих и сжимающих напряжений. Для целей дистанционной магнитной диагностики магистральных трубопроводов казалось бы наиболее интересно исследование влияния растягивающих и сжимающих усилий на магнитное поле рассеяния для случая, когда магнитное поле Земли направлено перпендикулярно оси трубопровода. Однако необходимо учесть, что и для этого случая магнитное поле из-за размагничивающего фактора направлено под углом к оси трубопровода [26-35]. При анализе экспериментальных работ В.Г. Кулеева, мы обнаружили, что все исследования проведены на водопроводных трубах 273 мм из стали 20 длиной l0 = 200 см по составу металла, толщине стенки и диаметрах, способу изготовления существенно отличающихся от подземных магистральных трубопроводов, что позволяет высказать сомнения в возможности переносах их результатов без подобных преобразований на реальные объекты. К тому же длина труб слишком мала, чтобы переносить выводы на натурные условия. Отсюда вывод – необходимы исследования на наземных трубопроводах большого диаметра.
В работе [39] возникновение магнитного поля рассеяния от дефекта объясняется с помощью «бифуркационно-резонансного метода» (название авторов), при котором появляются виртуальные магнитные домены вследствие движения доменных стенок Блоха через точки неустойчивости или точки «бифуркации» (разветвления, раздвоения). При снятии механической нагрузки виртуальные домены исчезают, и их энергия затрачивается на создание магнитного поля отклика от дефекта. О теории возникновения магнитного поля отклика от дефекта в стенке трубы на основе предложенного метода можно лишь сказать, что она не получила объяснения и развития ни в дальнейших работах автора, ни в работах других исследователей. Далее в [40] приводятся сведения из физики твердого тела, вводятся нам неизвестные понятия «межузлиона», «примессона», передаточных функций одного домена и материала трубопровода. Рассматривается блок-схема прибора для разности напряженностей магнитного поля дефектного и бездефектного участка трубопровода. Прибор включает в себя два феррозондовых датчика с горизонтальными осями, включенные встречно и один феррозонд с осью расположенной перпендикулярно оси трубопровода. Электронный блок содержит задающий генератор, сигналы с которого через формирователи поступают на обмотки возбуждения феррозондов, дифференциальный усилитель, синхронный детектор, пороговую схему сравнения, задающий сигнал, которой выбирается по результатам предварительных испытаний, АЦП и блок памяти. Кроме того, в приборе смонтированы фильтры нижних и верхних частот, позволяющие осуществлять регистрацию магнитных параметров в ограниченном частотном диапазоне. Теория возникновения магнитного поля отклика от дефекта в стенке трубы на основе бифуркационно-резонансного метода с использованием виртуальных доменов критикуется в работах [41-42]. По мнению авторов этих работ в настоящее время в практической диагностике она не получила применения и им неизвестны какие-либо отечественные и зарубежные источники, в которых бы описывались подобные методы. Блок-схемы прибора, совпадают полностью со схемой феррозондового градиентометра и с блок-схемой авиационного обнаружителя магнитных аномалий, служащего для определения координат и местоположения объектов (трубопроводов, затонувших кораблей, подводных лодок, мин, автомобилей и т.п.) на расстоянии до 400 м по их постоянному магнитному полю. Принцип действия такого обнаружителя основан на возможности аппроксимации локального поля объектов на расстояниях, превышающих их размеры, магнитным полем диполя и их координат. По мнению авторов работы [36] в виде подобного диполя можно представить и коррозионный дефект на поверхности трубопровода.
Описание программы «НВ ТЕСЛА 0204.5a v1.0» для совместной работы магнитометра – градиентометра и персонального компьютера
Программное обеспечение прибора НВ0204.5A для совместной работы с персональным компьютером (ПК) представлено программой НВ Тесла 0204.5A vl.O. Магнитометр - градиентометр подключается к ПК по каналу последовательной линии связи RS232. Программное обеспечение, прилагаемое к градиентометру, позволяет выполнять следующее,
Окно панели управления прибором НВ0204.5A программы НВ Тесла 0204.5A v1.0 предназначено для управления процесса измерения. Назначение органов управления панели управления в режиме измерения градиентов индукции постоянных полей: ? главное меню предназначено для настройки параметров, подключения/отключения прибора и переключения режимов работы программы НВ Тесла 0204.5A vl.O; ? закладка «Дисплей» выводит на экран дисплея для представления результатов измерений в графическом виде, она содержит следующие органы управления: «Выводить на дисплей» переключает режимы отображения результатов на дисплей. Он обеспечивает выбор следующих режимов вывода результатов измерений: выводить только результаты измерения градиентов GX, GY и GZ; выводить только результаты измерения индукции компонент первого датчикаХ1,У1 игі; ? выводить только результаты измерения индукции компонент второго датчика Х2, Y2 и Z2; ? выводить только результаты измерения индукции компоненты X первого X1 и второго Х2 датчиков и GX результат измерения градиента по компоненте X; ? выводить только результаты измерения индукции компоненты Y первого Y1 и второго Y2 датчиков и GY результат измерения градиента по компоненте Y; ? выводить только результаты измерения индукции компоненты Z первого Z1 и второго Z2 датчиков и GZ результат измерения градиента по компоненте Z; ? выводить все измеряемые параметры; ? отключить вывод на дисплей. «Диапазон дисплея, мкТл» устанавливает диапазон отображения дисплея, диапазон возможных значений 1-300 мкТл (по умолчанию оно равно 160 мкТл); ? закладка «Дисплей» предназначено для отображения результатов измерения в графическом виде; ? кнопка «Очистить» предназначена для очистки дисплея; ? кнопка «Сохранить» выполняет сохранение изображения на дисплее в выбранном пользователем графическом файле. Окно выбора файла для сохранения дисплея приведено на рисунке 2.7. закладка «Таблица» выводит таблицу для представления результатов измерений в табличном виде; закладка «Статус» выводит текстовое окно, в котором содержатся текстовые сообщения о ходе процесса измерений, сообщения о возникших ошибках и возможных причинах их появления; ? закладка «Параметры» выводит на экран все измеряемые параметры, в том числе сигналы с датчиков вертикального положения АХ и AY; ? закладка «DC» переключает программу в режим измерения индукции постоянных магнитных полей; ? закладка «АС» переключает программу в режим измерения индукции электромагнитных полей; в окне «Номер отсчета» отображается число выполненных измерений (значение в окне сбрасывается при переключении режимов, а также при начале выполнения новой последовательности измерений); в окне «Градиент GX, мкТл» отображается текущее значение градиента индукции магнитного поля компоненты X (диапазон значений +150 мкТл, при выходе индукции за верхнюю границу диапазона в окне появляется сообщение +МАХ , а при выходе за нижнюю границу сообщение –МАХ ). Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей; в окне «Градиент GY, мкТл» отображается текущее значение градиента индукции магнитного поля компоненты Y (диапазон значений +150 мкТл, при выходе индукции за верхнюю границу диапазона в окне появляется сообщение +МАХ , а при выходе за нижнюю границу сообщение –МАХ ). Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей; в окне «Градиент GZ, мкТл» отображается текущее значение градиента индукции магнитного поля компоненты Z (диапазон значений +150 мкТл, при выходе индукции за верхнюю границу диапазона в окне появляется сообщение +МАХ , а при выходе за нижнюю границу сообщение –МАХ ). Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей; в окне «Осреднение вкл/выкл» выполняется включение/ выключение осреднения по заданному числу точек; ? в окне «Осреднение число точек» устанавливается число точек, по которым выполняется осреднение (от 2 до 100 точек); ? окно «Период измерений, мс» предназначено для установки периода при циклических измерениях (может быть выбрано одно из значений 5, 10, 100, 1000 мс); ? окно «Число точек дисплея» предназначено для установки количества точек графика, отображаемых на дисплее (может быть выбрано в диапазоне 10-10000 точек, по умолчанию оно равно 100 точкам); ? кнопка «Цикл. Измерение» предназначена для циклического выполнения измерений (при первом нажатии кнопки начинается выполнение измерений, а при повторном - окончание, период цикла измерений устанавливается пользователем в окне «Период измерений, мс»); в окне «Компенсация вкл/выкл» выполняется включение/ выключение программной компенсации постоянного значения измеряемой индукции поля; окно «Панель состояния программы» предназначена для отображения служебной информации: «Статус прибора», «Тип прибора», «Версию», «Заводской номер» и «Порт».
Назначение органов управления в левой части панели управления не меняется. Назначение органов управления закладки «Таблица» следующее: в окне «Вкл/выкл вывода на дисплей» выполняется включение/выключение ввода результатов измерений в таблицу; окно «Таблица» предназначено для отображения в табличном виде результатов измерений; кнопка «Очистить» выполняет очистку таблицы; кнопка «Сохранить» сохраняет таблицу в виде табулированного текста в выбранном пользователем файле, окно выбора файла для сохранения таблицы приведено на рисунке 2.9. Рисунок 2.9 - Окно выбора файла для сохранения таблицы Для выполнения измерений градиентов и индукции электромагнитного поля с представлением результатов в виде графика на экране дисплея, необходимо после запуска программы НВ Тесла 0204.5A v1.0, дождаться на экране компьютера появление окна панели управления прибором НВ0204.5A. При нажатии закладки «АС», внешний вид окна панели управления в режиме измерения индукции электромагнитных полей принимает вид (рисунок 2.10). Назначение органов управления панели для закладки «АС» следующее: в окне «Действующее GX, мкТл» отображается действующее значение градиента индукции электромагнитного поля компоненты X, вычисленное за последние 200 измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе индукции за верхнюю границу диапазона хотя бы для одной точки из интервала вычисления значения в окне появляется сообщение +МАХ , а при выходе за нижнюю границу сообщение –МАХ . Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей; в окне «Действующее GY, мкТл» отображается действующее значение градиента индукции электромагнитного поля компоненты Y, вычисленное за последние 200 измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе индукции за верхнюю границу диапазона хотя бы для одной точки из интервала вычисления значения в окне появляется сообщение +МАХ , а при выходе за нижнюю границу сообщение –МАХ . Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей; в окне «Действующее GZ, мкТл» отображается действующее значение градиента индукции электромагнитного поля компоненты Z, вычисленное за последние 200 измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе индукции за верхнюю границу диапазона хотя бы для одной точки из интервала вычисления значения в окне появляется сообщение +МАХ , а при выходе за нижнюю границу сообщение –МАХ . Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей; в окне «Размах GX, мкТл» отображается значение размаха колебаний градиента индукции электромагнитного поля, вычисленное для последних 200 измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе за границу диапазона соответствующей компоненты хотя бы один раз за время вычисления значения в окне появляется сообщение OVER . Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей; в окне «Размах GY, мкТл» отображается значение размаха колебаний градиента индукции электромагнитного поля, вычисленное для последних 200 измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе за границу диапазона соответствующей компоненты хотя бы один раз за время вычисления значения в окне появляется сообщение OVER . Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей; в окне «Размах GZ, мкТл» отображается значение размаха колебаний градиента индукции электромагнитного поля, вычисленное для последних 200 измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе за границу диапазона соответствующей компоненты хотя бы один раз за время вычисления значения в окне появляется сообщение OVER .
Теоретические основы дистанционного контроля технического состояния трубопроводов магнитным методом
Теория наземной, скважинной и аэромагниторазведки развивалась в работах НПО «Рудгеофизика», МГУ, ЛГУ (СПГу) и др. [93-96]. Поэтому дальнейшее рассмотрение посвящено анализу этих работ с точки зрения применимости результатов к дистанционному магнитному контролю технического состояния подземных трубопроводов. Несмотря на многолетнее развитие теории магниторазведки, теоретические основы дистанционного контроля технического состояния подземных трубопроводов в настоящее время практически не созданы. Можно указать лишь работы А.А Логачева, В.П. Захарова, В. А Комарова и др. [97-98], в которой рассмотрены магнитные поля тел сфероидальной формы и эллипсоидов вращения. С некоторым приближением можно считать, что магнитное поле ферромагнитного эллипсоида вращения идентично магнитному полю цилиндра конечной длины. Математическая теория намагниченных тел рассматривает решение двух основных задач: 1) определение магнитного поля, создаваемого намагниченным телом (телами) заданной формы, объема и характера намагничивания (прямая задача математической физики в магниторазведке); 2) определение формы, размеров, положения в пространстве и характера намагничивания тела (тел) по данным измерений магнитного поля, связанного с намагниченностью этого тела (тел) (обратная задача математической физики в магниторазведке).
Прямая задача в магниторазведке в силу известных свойств потенциала и его производных всегда имеет единственное и однозначное решение [99]. Решение прямой задачи в магниторазведке основывается на предположении, что любое намагниченное тело можно рассматривать как систему бесконечного числа магнитных диполей с упорядоченно расположенными осями магнитных моментов. Обратная задача в общем случае однозначного решения не имеет, т.е. теоретически можно найти множество различных распределений источников, создающих во внешнем пространстве одно и то же магнитное поле. В качестве примера можно назвать случаи полного совпадения полей различных по размеру концентрических шаров, совокупных эллипсоидов, концентрических круговых цилиндров и т.п. с равными магнитными моментами [99]. Для некоторых распределений возмущающих масс – выпуклых и звездообразных замкнутых объемов, с ограниченными по величине вариациями магнитных свойств – доказана теорема единственности решения обратной задачи. Для невыпуклых объемов и слоистых моделей вопрос о единственности решения обратной задачи остается открытым. Невозможность однозначного решения обратной задачи для многих форм возмущающих масс имеет важное практическое значение, так как здесь роль фактора, усугубляющего неоднозначность решения, играет то обстоятельство, что наблюдаемые значения аномалий всегда осложнены различными погрешностями. При дистанционном магнитометрическом обследовании трубопроводов – это погрешности определения глубины и местоположения, погрешности, связанные с магнитными полями протекающих по трубопроводу токов, погрешности, связанные с полями напряженных состояний, различной толщиной трубопровода, различной восприимчивостью его частей, погрешностью, связанную с вариациями магнитного поля Земли, ориентацией датчиков и многими другими. Теоретически доказано (В.Н. Страхов), что сколь угодно малые изменения внешнего (по отношению к источникам) поля, могут повлечь сколь угодно большие изменения распределения предполагаемых возмущающих масс, т.е. решение обратной задачи в этом случае будет весьма неустойчивым. Вместе с тем, решение обратной задачи при контроле технического состояния трубопроводов может быть однозначно, так как заведомо известна форма магнитного тела, его размеры и даже магнитная восприимчивость трубной стали. Иначе дело обстоит при магнитной внутритрубной дефектоскопии, когда форма и размеры каверн заведомо неизвестны. Этому фактору, по нашему мнению, не уделяется достаточного внимания при интерпретации результатов внутритрубной дефектоскопии и решении вопроса надежности трубопроводов.
Однако, как правило, магнитное поле Земли вычитается из результатов измерений. Реальный трубопровод состоит из сваренных труб длиной каждая около 11 м. Как показано ниже, магнитное поле такого трубопровода нельзя рассматривать как магнитное поле бесконечного цилиндра. Поэтому представляет интерес решение прямой задачи для цилиндра конечной длины. До настоящего времени аналитическое выражения для магнитного поля не получено. Однако с некоторым приближением цилиндр конечной длины можно рассматривать как эллипсоид вращения. Исследуя аналитическое выражения магнитного поля эллипсоидов вращения И.М. Бахурин установил, что магнитное поле софокусных эллипсоидов вращения пропорционально их магнитным моментам.
Зависимость от намагничения
Основной задачей исследований зависимости от намагничения являлось выяснение возможности намагничивания и размагничивания подземного трубопровода с поверхности Земли (на расстоянии 1-2 м от верхней его образующей). Исследования проводились на двухзвенной модели трубопровода с диаметром трубы 200 мм и длинной звеньев 2 метра. Были измерены составляющие постоянного магнитного поля на высоте 0 м от трубы до намагничения и после намагничения кратковременными токовыми импульсами (рисунок 4.22), аналогичным образом проведены измерения на высоте 1 м от трубы (рисунок 4.23), а также рассчитаны градиенты составляющих (рисунок 4.24).
В результате двумерного моделирования в работе [32] установлено следующее: 1. Большие минимумы соответствуют местам стыковки звеньев, у которых вектора намагниченности сходятся. 2. Большие максимумы соответствуют местам стыковки звеньев, у которых вектора намагниченности расходятся. 3. Небольшие пики на кривой соответствуют местам стыковки звеньев с коллинеарными векторами намагниченности. В последнем случае на картине магнитного поля проявляются зоны сварки (швы) между соседними звеньями. Так как в процессе сварки некоторая часть соседних звеньев нагревается выше точки Кюри, шов приобретает отличную от звеньев намагниченность. Это позволяет нам выделять такого вида стыки.
Важным результатом является то, что для некоторых секций труб выявлена пониженная намагниченность. Причиной пониженной намагниченности могут быть конструктивные особенности труб. Известно, что трубы конструктивно могут быть трех разных типов: с одним продольным швом, с двумя продольными швами, ленточные. В случае второго типа, когда два полуцилиндра трубы соединены продольными швами так, что векторы намагниченности направлены навстречу друг другу, суммарная намагниченность снижается. Более сложным распределением намагниченности характеризуется третий тип труб. Ленточные трубы, оказываясь наиболее дешевыми в производстве, наименее надежны в эксплуатации. Обнаружение в трубопроводе таких наименее надежных по конструкции секций позволит установить за ними постоянный контроль. Описанные выше возможные варианты стыков между звеньями трубопровода
При исследовании стыков на модели трубопровода было установлено, что периодичность составляющих магнитного поля соответствует длине секции трубы – 50 см (рисунок 4.30). С большей четкостью она проявляется по X-составляющей (параллельной трубопроводу), по этой составляющей в большинстве случаев отмечаются стыки различных секций труб. Наиболее информативна Z-составляющая (вертикальная).
Интегральной оценкой погрешности служит воспроизводимость результатов измерений. Для ее определения около 10% измерений выполняются дважды в различное время и, желательно, различными операторами. Погрешность магнитного метода определяется по следующей формуле: а = ,j(jl +а + сг32 +... (А ХЛ где сг - составляющие общей погрешности. Можно выделить следующие составляющие: 1. 7в- погрешность воспроизводимости. Определяется при постоянном положении прибора и связано с аппаратурной погрешностью (разрядность АЦП, временем осреднения, временными флуктуациями магнитного поля). Зависит от величины поля и от местоположения датчика (фон, аномалия над трубопроводом).
Для использованного магнитометра градиентометра при измерении градиента по разностной схеме среднеквадратическая погрешность воспроизводимости составляет около 0,01 мкТл для фоновых значений магнитного поля и достигает 0,1 мкТл при измерениях над наземным трубопроводом. При высокоточных наблюдениях необходимо записывать расстояние магниточувствительного элемента до земной поверхности и глубину залегания трубопровода, определенную методом исследования магнитной составляющей поля катодной защиты трубопровода.
Погрешности воспроизводимости исследовалась, как при лабораторных измерениях, так и при работах на магистральном трубопроводе. При проведении полевых работ вдоль трассы трубопровода измерения составляющих постоянного магнитного поля и их градиентов были проведены три раза. В первый раз – с шагом 0,5 м, во второй и третий раз – с шагом 5 м. Таким образом, на одной и той же точке вдоль профиля трубопровода с шагом 5 м были проведены три измерения в разный промежуток времени (рисунок 4.31). Затем по формуле (4.2) вычислялась оценка погрешности воспроизводимости.
В широком смысле под девиацией понимают отклонение показаний магниточувствительного прибора от истинного значения измеряемой величины, обусловленной магнитными помехами. Величина девиации зависит от ориентации носителя и от широты местности (точнее, от параметров геомагнитного поля).
Похожие диссертации на Совершенствование магнитометрического метода дистанционного контроля местоположения поперечных сварных швов и напряженных состояний подземного стального трубопровода
