1.1.4. Анализ современных методов и средств диагностирования технического состояния газотранспортных объектов
В зависимости от физических явлений и принципа работы методы диагностирования и неразрушающего контроля МГ подразделяются на девять основных видов: акустический, магнитный, вихретоковый, оптический, проникающими веществами, радиационный, вибродиагностический, тепловой и электрический (Рисунок 1.1.22) [1,2,6,11,13,14].
Рисунок 1.1.22 - Основные виды методов диагностирования
Наибольшее распространение получили первые пять методов: акустический, магнитный, внутритрубная диагностика, вихретоковый и оптический.
Акустические методы основаны на регистрации параметров упругих колебаний, возбуждаемых и (или) возникающих в контролируемом объекте. В акустическом виде контроля чаще всего применяют звуковые и ультразвуковые частоты в диапазоне от 0,5 кГц до 30 МГц. В случае, когда при контроле используют частоты свыше 20 кГц, допустимо применение термина «ультразвуковой» вместо термина «акустический». Их применяют для обнаружения поверхностных и внутренних дефектов (нарушений сплошности, неоднородности структуры, межкристаллитной коррозии, дефектов склейки, пайки, сварки и т.п.) в деталях и изделиях, изготовленных из различных материалов. Они позволяют контролировать геометрические параметры при одностороннем допуске к изделию, а также физико-механические свойства металлов и металлоизделий без их разрушения.
По характеру взаимодействия упругих колебаний с контролируемым материалом акустические методы подразделяют на следующие основные группы:
акустико-эмиссионный (АЭ);
прошедшего излучения (теневой, зеркально-теневой);
отраженного излучения (эхо-импульсный);
резонансный;
импедансный;
свободных колебаний [1,13,21,28,44,46,56,61,77,95,96,112,125].
Акустические методы решают следующие контрольно-измерительные задачи:
акустико-эмиссионный метод обнаруживает и регистрирует только развивающиеся трещины или способные к развитию под действием механической нагрузки (квалифицирует дефекты не по размерам, а по степени их опасности во время эксплуатации). Метод имеет высокую чувствительность к росту дефектов - обнаруживает увеличение трещины на (1...10) мкм, причём измерения, как правило, проходят в рабочих условиях при наличии механических и электрических шумов;
метод прошедшего излучения выявляет глубинные дефекты типа нарушения сплошности, расслоения, непроклёп, непропаи;
метод отраженного излучения обнаруживает дефекты типа нарушения сплошности, определяет их координаты, размеры, ориентацию путём прозвучивания изделия и приёма отраженного от дефекта эхо сигнала;
резонансный метод применяется в основном для измерения толщины изделия (иногда применяют для обнаружения зоны коррозионного поражения, непропаев, расслоений в тонких местах из металлов);
импедансный метод предназначен для контроля клеевых, сварных и паяных соединений, имеющих тонкую обшивку, приклеенную или припаянную к элементам жёсткости. Дефекты клеевых и паяных соединений выявляются только со стороны ввода упругих колебаний;
метод свободных колебаний применяется для обнаружения глубинных дефектов [13,21,28,44,61,77,95,125,163].
Метод АЭ позволяет контролировать всю поверхность объекта контроля, включая соединения (сварные швы). Обнаруживаются трещиноподобные дефекты, развивающиеся под действием эксплуатационных или испытательных нагрузок.
В качестве примера такого метода диагностики можно привести цифровую акустико-эмиссионную систему (Рисунок 1.1.23) Лель-М /A-Line 32D (DDM)/, производства ООО «ИНТЕРЮНИС». Это оборудование нового поколения, разработанное специально для промышленного применения в полевых и заводских условиях, представляющее собой многоканальную модульную систему сбора и обработки АЭ информации с последовательным высокоскоростным цифровым каналом передачи данных [77,125,163].
Система входит в перечень типовых приборов используемых для диагностики основного оборудования МГ предприятий ОАО «Газпром».
Рисунок 1.1.23 - АЭ система Лель-М /A-Line 32D(DDM)/
Особенностью метода акустической эмиссии, ограничивающей его применение, является в ряде случаев трудность выделения сигналов акустической эмиссии из помех. Это объясняется тем, что сигналы АЭ являются шумоподобными, поскольку АЭ есть стохастический импульсный процесс. Поэтому, когда сигналы АЭ малы по амплитуде, выделение полезного сигнала из помех представляет собой сложную задачу [1,13,21,77,95,163].
При развитии дефекта, когда его размеры приближаются к критическому значению, амплитуда сигналов акустической эмиссии и темп их генерации резко увеличиваются, что приводит к значительному возрастанию вероятности обнаружения такого источника акустической эмиссии.
Метод АЭ может быть использован для контроля объектов при их изготовлении, в процессе приемочных испытаний, при периодических технических освидетельствованиях, в процессе эксплуатации, позволяет выявлять поверхностные и внутренние дефекты. Метод имеет достаточно сложную технологию, требует дорогого оборудования и очень высокой квалификации персонала.
К магнитным относятся магнитопорошковый, феррозондовый, магнитографический и другие методы контроля, основанные на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами, или на определении магнитных свойств контролируемых изделий.
Суть магнитного метода заключается в измерении потоков рассеяния дефектов контролируемого участка газопровода, намагниченного постоянным магнитным полем. Причиной намагничивания считаются постоянные токи, существующие в молекулах и атомах ферромагнитного вещества. Магнитные характеристики таких материалов являются информативными параметрами, так как зависят от их физико-механических свойств, химического состава, вида механической и термической обработки, а также от размеров и сплошности изделий [13,21,41,47,56,65,72,86,108,131].
Эти методы позволяют обнаружить дефекты типа несплошности материала (трещины, волосовины, закаты), а также определить механические характеристики ферромагнитных сталей и чугунов по изменению их магнитных характеристик.
Магнитопорошковый метод (МПМ) (Рисунок 1.1.24) [41,47,56,65,72], основан на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами с использованием в качестве индикатора ферромагнитного порошка или суспензии. Метод предназначен для выявления поверхностных и под поверхностных (на глубине 1,5...2мм) дефектов типа нарушения сплошности материала изделия: трещины, волосовины, расслоения, не проварка стыковых сварных соединений, закатов и т.д.
Рисунок 1.1.24 - Внешний вид магнитопорошкового дефектоскопа МД-12ПШ
Этим методом можно контролировать изделия любых габаритных размеров и форм, если магнитные свойства материала изделия (относительная максимальная магнитная проницаемость не менее 40) позволяют намагничивать его до степени, достаточной для создания поля рассеяния дефекта, способного притянуть частицы ферромагнитного порошка.
Чувствительность МПМ определяется магнитными характеристиками материала объекта контроля, его формой, размерами и шероховатостью поверхности, напряженностью намагничивающего поля, местоположением и ориентацией дефектов, взаимным направлением намагничивающего поля и дефекта, свойствами дефектоскопического материала, способом его нанесения на объект контроля, а также способом и условиями регистрации индикаторного рисунка выявляемых дефектов [41,47,56,65,108,].
При проведении диагностирования МПМ применяют стационарные, передвижные, переносные и специализированные дефектоскопы.
Примером прибора магнитно-порошкового контроля является дефектоскоп МД-12ПШ. Основное назначение прибора – используется для обнаружения поверхностных поперечных трещин во внутренних шейках и средних частях осей трубопровода.
Масштабность применения магнитопорошкового метода объясняется его высокой производительностью, наглядностью результатов контроля и высокой чувствительностью. При правильной технологии контроля элементов конструкций и деталей этим методом обнаруживаются трещины в начальной стадии их появления, когда обнаружить их без специальных средств контроля трудно или невозможно.
Внутритрубная диагностика (ВТД) основана на использовании автономных снарядов-дефектоскопов (интеллектуальных поршней), движущихся внутри контролируемой трубы под напором перекачиваемого продукта (нефть, нефтепродукты, газ и т.п.). Снаряд снабжен аппаратурой (обычно ультразвуковой или магнитной) для НК трубы, записи и хранения в памяти данных контроля и вспомогательной служебной информации, а также источниками питания аппаратуры [13-15,22,43,56,61,86,90,91,122,165].
Проведение внутритрубного контроля выполняется как при строительстве трубопровода — с целью тестирования качества относительно протяжённого завершённого участка, так и при плановых проверках участков действующих трубопроводов — для определения необходимости, а также сроков и мест проведения профилактических и реабилитационных работ.
Диагностические системы способны обнаруживать широкий спектр серьезных дефектов, включая: внешнюю и внутреннюю коррозию; дефекты «потери металла» в поперечных и спиральных сварных швах; производственные дефекты (расслоения, включения); связанные с вмятинами (включая идентификацию самих вмятин); повреждения, возникшие при строительстве трубопровода (риски, задиры) [22,43,56,61,86,90,91].
В качестве примера можно привести автономный внутритрубный снаряд-дефектоскоп «Ультраскан» для контроля труб диаметром 530мм в потоке перекачиваемого продукта (ОАО Центр технической диагностики «ДИАСКАН») (Рисунок 1.1.25) [122,165].
Рисунок 1.1.25 - Внутритрубный снаряд-дефектоскоп «Ультраскан» в работе
Измерительная часть снаряда состоит из множества датчиков (сенсоров), расположенных так, чтобы зоны их чувствительности охватывали весь периметр трубы. Это позволяет избежать пропуска дефектов трубы.
Датчики ультразвукового снаряда излучают ультразвук в тело трубы и принимают отраженные дефектами сигналы. В магнитном снаряде ферромагнитный материал трубы намагничивается постоянными магнитами до состояния близкого к техническому насыщению, а потоки рассеяния, вызванные дефектами, регистрируются магниточувствительными датчиками (например, датчиками Холла) [13-15,22,43,56,61,86].
Ультразвуковые снаряды используют обычно для контроля труб нефтепроводов, поскольку для прохождения ультразвука необходим акустический контакт датчиков с трубой, обеспечиваемый нефтью. Магнитные снаряды применяют для контроля как нефте-, так и газопроводов.
Магнитный снаряд-дефектоскоп состоит из трех секций, соединенных между собой шарнирно для прохождения изгибов трубопровода.
Постоянные магниты, размещенные на двух кольцах средней секции, создают в трубе продольный магнитный поток между двумя кольцами стальных проволочных щеток, скользящих по внутренней поверхности трубы. Кольцо с подпружиненными держателями блоков датчиков расположено между кольцами щеток, обеспечивая скольжение датчиков по поверхности трубы. Полиуретановые манжеты служат для создания перепада давления перед и позади снаряда, чем обеспечивается его движение в трубе.
Снаряд вводится в контролируемый трубопровод через специальную камеру пуска-приемки, проходит по трубе сотни километров, накапливая информацию о ее состоянии в бортовой памяти, а затем извлекается через аналогичную камеру. После выгрузки снаряда информация считывается на внешний терминал, а затем поступает на сервер базы данных, расшифровывается, обрабатывается программой обработки данных, анализируется оператором и представляется в виде отчета [13-15,22,43,56].
Программное обеспечение используется для обработки полученной информации, позволяет автоматически выделить области аномалий трубы, идентифицировать до 15 классов аномалий (трещины, коррозионные поражения и т.д.), определить местоположение и размеры дефектов, представить результаты контроля.
Основным препятствием использования ВТД на МГ являются сварные стыки, выполненные на кольцах или внахлест. Причину этих препятствий практически невозможно ликвидировать без демонтажа трубопровода.
Вихретоковые методы контроля (ВТК) основаны на регистрации изменений взаимодействия внешнего электромагнитного поля катушки с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых этой катушкой в объекте. Контроль вихревыми токами можно выполнять без непосредственного механического контакта преобразователей с объектом, что позволяет вести контроль при взаимном перемещении преобразователя и объекта с большой скоростью [13-15,22,43,56,91,122].
Вихретоковый контроль позволяет обнаруживать как поверхностные, так и подповерхностные (залегающие на глубине 1-4мм) дефекты в магнитных и немагнитных изделиях. Его применяют только для контроля объектов из электропроводящих материалов. Метод позволяет обнаруживать нарушения сплошности (в основном трещины) на различных по конфигурации деталях [13,20,22,56,95].
При ВТК не обнаруживаются дефекты в элементах конструкций и деталях: с поверхностями, на которые нанесены электропроводящие защитные покрытия, если дефект не выходит на поверхность покрытия; с дефектами, заполненными электропроводящими частицами; с поверхностями, покрытыми коррозией.
Вихретоковые методы имеют два основных ограничения: во-первых, их применяют только для контроля электропроводящих изделий; во-вторых, они имеют малую глубину контроля, связанную с особенностями проникновения электромагнитных волн в объект контроля [13,20,22,56,95].
Для примера приведем описание и технические характеристики вихретокового дефектоскопа ВД-12НФМ (Рисунок 1.1.26) используемого в ОАО «Газпром». Дефектоскоп ВД-12НФМ предназначен для обнаружения поверхностных трещин в деталях из ферромагнитных материалов с грубой плоской и криволинейной поверхностью [22,56,95].
Рисунок 1.1.26 - Внешний вид вихретокового дефектоскопа ВД-12НФМ
Данный дефектоскоп позволяет обнаруживать трещины в изделиях даже под слоем неэлектропроводящего покрытия толщиной до 3мм. Это дает возможность проводить контроль изделий с самой грубой поверхностью без ее предварительной зачистки, что значительно сокращает общее время контроля. Наряду с высокой производительностью, присущей вихретоковому методу вообще, этот дефектоскоп обеспечивает также достаточно высокую скорость контроля [13,20,22,56,95].
Визуально-оптические методы контроля основаны на взаимодействии светового излучения с контролируемым объектом. По характеру взаимодействия различают методы прошедшего, отражённого, рассеянного и индуцированного излучений (под последним имеется в виду оптическое излучение предмета под действием внешнего воздействия, например люминесценцию) [5,21,24,40,56,72,86,125].
Информативными параметрами этих методов являются амплитуда, фаза, степень поляризации, частота или частотный спектр, время прохождения света через объект, геометрия преломления или отражения излучения. Оптические методы широко применяют из-за большого разнообразия способов получения первичной информации о наличии наружных дефектов независимо от материала контролируемого изделия.
Рефрактометрия, интерферометрия, лазерные и голографические методы контроля также называются оптическими методами контроля.
По виду приёмника лучистой энергии различают три группы оптических приборов: визуальные, детекторные и комбинированные.
У визуальных приборов приёмник – глаз. Это обзорные эндоскопы, лупы, микроскопы и т.п. К детекторным приборам относятся приборы, в которых приёмником служат различные детекторы: химические реагенты (фотоэмульсии), люминесцирующие вещества, спектрометры и т.д. Комбинированные приборы пригодны для обзора объекта визуально и с помощью детектора [21,24,40,56,72,86].
Визуально-оптические методы диагностики могут быть применены как при прокладке новых трубопроводов, так и при выполнении ремонтных работ. Они могут использоваться при: - внутриполостной диагностике для обнаружения вмятин и забоин на трубе, а также некачественных сварных швов; - наружной диагностике состояния трубопроводов расположенных под водой; - обнаружении утечек газа и топлива через микротрещины и раковины [21,24,40,56,72,86]. Поверхностные дефекты, расположенные в труднодоступных или недоступных для визуального контроля местах, могут быть обнаружены с помощью эндоскопов - устройств линзового или волоконно-оптического типа. Состояние основного металла труб и сварных соединений обследуемого участка МГ для подземной прокладки может быть выявлено визуально только после шурфовки и очистки поверхности трубы от изоляции. Для надземных МГ состояние металла проверяется визуально.
Примером новейшего инструмента визуального контроля является видеоскоп Olympus IPLEX MX (Рисунок 1.1.27), представляющий собой комплектную телевизионную эндоскопическую систему с гибким зондом.
Рисунок 1.1.27 - Внешний вид видеоскопа Olympus IPLEX MX
Прибор разработан с учетом последних достижений оптики, точной механики и компьютерной техники, а также рекомендаций ведущих специалистов по неразрушающему контролю. Olympus IPLEX MX позволяет проводить комплексный визуальный контроль, измерять найденные через эндоскоп дефекты и документировать результаты осмотра с результатами измерений на картах Compact Flash (до 4800 снимков на одной карте) или на персональном компьютере, повторно просматривать изображения и производить многократные обмеры. Результаты осмотра и измерений могут быть выведены в виде отчета с текстовыми и фотографическими комментариями.
Таким образом, основные методы диагностирования и неразрушающего контроля ЛЧ МГ, используются для комплексного обследования и получения необходимой информации о техническом состоянии ЛЧ МГ.
Однако осуществить сплошную диагностику при помощи традиционных методов неразрушающего контроля нельзя, поскольку для этого потребовалось бы вскрыть все подземные коммуникации и выполнить зачистку поверхности МГ и сварных стыков. Очевидно, что это практически невозможно. Кроме того, традиционные методы и средства НК направлены на поиск и нахождение конкретного дефекта. При этом определить размеры дефектов (глубина, протяженность), расположенных в объеме основного металла или в металле сварного соединения, сложно. Если размеры дефекта определены (современные дефектоскопы решают эту задачу), то необходимо оценить степень опасности и развития дефекта. Для этого необходимо сделать поверочный расчет на прочность с учетом размеров дефекта.
Приведенный анализ методов диагностики позволил сделать вывод о необходимости разработки дополнительных диагностических признаков и методов обработки, данных производственного мониторинга на МГ, позволяющих повысить достоверность оценки технического состояния МГ.
Учитывая то, что процессы взаимодействия МГ с окружающей средой идут на больших территориях, оперативно оценить их масштабы, состояние и прогноз изменения газопроводов можно лишь на основе применения дистанционных, в первую очередь аэрокосмических методов (АКМ), позволяющих получать качественную по полноте информацию по всей трассе МГ в целом [7,9,11,17,36,73,92,105,114,127,151,163,172,177].
АКМ объединяют комплекс исследований поверхности Земли и объектов трубопроводных систем, осуществляемый с помощью искусственных спутников, орбитальных космических станций и пилотируемых кораблей, самолетов и вертолетов, путем регистрации собственного и отраженного электромагнитного излучения природных и искусственных объектов приемными устройствами с последующей обработкой, интерпретацией и анализом полученных данных.
Аэрокосмические исследования являются составной частью работ по комплексному изучению трубопроводных систем и окружающей среды [9,11,17,36,73,92,105,114].
Относительная эффективность существующих АКМ вызывает необходимость их рационального сочетания (комплексирования) с учетом их особенностей, характеристик и способов применения, что повышает полноту и достоверность итоговой информации.
На рисунке 1.1.28 представлена обобщенная схема основных аэрокосмических методов, используемых для диагностирования МГ [17,105].
Для применения в диагностике трубопроводных систем и мониторинге окружающей среды могут быть рекомендованы фотографические, в том числе многозональная, и нефотографические - тепловая инфракрасная, микроволновая, сканерная, телевизионная, лазерная, радиолокационная съемки и аэровизуальные обследования.
Рисунок 1.1.28 - Основные виды аэрокосмических методов диагностирования
Фотографическая съемка (аэро- и космо) в настоящее время - самый универсальный и наиболее широко используемый вид дистанционного зондирования природной среды. Эффективность применения фотосъемок связана с высокой степенью пространственного и спектрального разрешения, что имеет особую важность в определении закономерностей пространственно-временного изменения природно-технических условий эксплуатации и технического состояния трубопровода [92,105,114,127,151,163].
Благодаря большому объему получаемой информации, относительной простоте применения, достаточному уровню развития, фотографические методы заняли ведущее место в комплексе работ по изучению состояния трубопроводных систем.
Специфика использования космической фотосъемки (КФС) обусловлена ее обзорностью, интеграцией объектов, возможностью изучения природы и геотехнических систем при разных уровнях генерализации. Важнейшими особенностями снимков Земли из космоса являются их объективность и возможность безграничного охвата отдаленных территорий. В отдельных случаях космическая съемка становится единственно возможным инструментом контроля [114,127,177].
Материалы КФС в первую очередь должны использоваться при тематическом картировании изучаемой территории, при этом сокращаются полевые исследования, приобретающие характер контрольных наблюдений.
Аэрофотосъемка (АФС) – это съемка местности с высоты от сотен метров до десятков километров при помощи специальных средств (фотоаппарат, тепловизор, сканер и т.д.) на фотоматериал, установленных на летательном аппарате: самолете, вертолете, аэростате, дирижабле, беспилотном радиоуправляемом мини - самолете или - вертолете, мотодельтаплане [12,17,83,84,97,101,124,148,149,172,173].
Летательный аппарат должен быть оснащен пилотажно-навигационным оборудованием для выполнения съемочных полетов, иметь фотолюки и другие устройства для размещения и эксплуатации аппаратуры, оборудован необходимым комплексом съемочных средств и средств для определения и фиксации в полете с требуемой точностью непосредственно элементов внешнего ориентирования материалов съемок, либо исходной информации для определения этих значений при послеполетной обработке полученных данных.
Российскими конструкторами создан наиболее информативный прибор - многозональный сканирующий радиометр (МСР) «Бета» (Рисунок 1.1.29). АФС с использованием МСР «Бета» позволяет получать изображения подстилающей поверхности в видимом, а также в ближнем, среднем и тепловом ИК-диапазонах, с высокими радиометрическим разрешением и точностью. Сочетание используемых фильтров выбирается с учетом спектральных характеристик объектов съемки, что существенно повышает возможности дешифрирования их состояния [101,124,148,149,172,173].
Рисунок 1.1.29 - Гермоконтейнер, оптического блока МСР «Бета»
Представление съемочной информации в цифровом виде [101,124,148,149] позволяет вести исследование объектов, как в процессе полета, так и после его завершения. Для географической привязки и коррекции изображений, а также для обеспечения точного перемещения летательного средства по съемочным маршрутам, используется система спутниковой навигации GPS.
|
