автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы обработки результатов дистанционного магнитометрического обследования подземных трубопроводов

На правах рукописи

ГУСЬКОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИСТАНЦИОННОГО МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Нижний Новгород — 2014

2 ОМАР 2014

005546172

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Гипрогазцентр».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Спиридович Евгений Апполинарьевич

Коннов Владимир Васильевич,

доктор технических наук, профессор, Закрытое акционерное общество Научно-производственный центр «Молния», генеральный директор, г. Москва

Канаков Владимир Анатольевич,

доктор физико-математических наук, доцент, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, заведующий кафедрой радиотехники, г. Нижний Новгород

Общество с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий — Газпром ВНИИГАЗ», г. Москва

Защита состоится 23 апреля 2014 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 на базе Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Автореферат разослан «.<£» .МАр.СР.<?... 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета . ^ Назаров Андрей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важным аспектом обеспечения безопасного функционирования систем магистрального трубопроводного транспорта является своевременное диагностирование и устранение критических дефектов. Для проведения экспресс-диагностики технического состояния подземных трубопроводов и назначения мест шурфований для обследования методами неразрушающего контроля в комплексе с электрометрическими методами применяются методы дистанционного магнитометрического контроля, основанные на измерении постоянного магнитного поля трубопровода с поверхности грунта. Эти методы позволяют получить информацию о трубопроводе без проведения земляных работ. Особенно высока потребность в таких методах для трубопроводов, не оборудованных для проведения внутритрубной диагностики. Исследованиям и разработкам в этом направлении посвящены труды таких ученых и специалистов, как Б.Ь. АШеЛоп, Б.С. ЛЬэ, \¥.Т. 8о\уегЬийз, М.С. Бахарев, Ю.Е. Григорашвили, В.В. Коннов, Е.И. Крапивский, И.Н. Модин и др. Разработкой приборов для проведения дистанционного магнитометрического контроля подземных трубопроводов занимается ряд организаций, в том числе и ОАО «Гипрогазцентр». Однако способы, используемые в настоящее время для анализа результатов магнитометрических измерений, являются эмпирическими. Поэтому разработка физически обоснованных и достоверных методов обработки результатов дистанционного магнитометрического контроля подземных трубопроводов является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы - разработка научно обоснованных методов обработки результатов дистанционных магнитометрических измерений для определения участков подземных трубопроводов, на которых требуется проведение шурфований и диагностических обследований.

Основные задачи работы:

1. Теоретическое исследование особенностей распределения магнитного поля подземных трубопроводов на поверхности грунта с использованием численного моделирования магнитных полей трубопроводов с неоднородной намагниченностью.

2. Разработка методики определения усредненной намагниченности металла подземного трубопровода по результатам измерения магнитного поля на поверхности грунта на основе решения обратной задачи магнитостатики.

3. Проведение анализа источников погрешностей при полевых измерениях постоянного магнитного поля подземного трубопровода, разработка метода расчета погрешностей, связанных с позиционированием датчиков.

4. Экспериментальное исследование пространственного распределения магнитного поля участков действующих трубопроводов с известным расположением конструктивных особенностей и дефектов.

5. Разработка алгоритмического и программного обеспечения процесса обработки результатов дистанционного магнитометрического контроля подземных трубопроводов.

Научная новизна работы. Разработана методика расчета усредненной намагниченности металла подземного трубопровода по результатам измерения магнитного поля на поверхности грунта, позволяющая локализовать участки трубопроводов с аномальными изменениями намагниченности металла.

Установлена зависимость между магнитным моментом локального источника, расположенного на поверхности трубопровода, расстоянием до точек

измерения и точностью измерения магнитного поля, при которой этот источник может быть найден.

Получены зависимости компонент напряженности магнитного поля от координат при различных сочетаниях намагниченности соседних труб. Показано, что при неоднородной продольной намагниченности труб могут наблюдаться два типа распределения поля вдоль оси трубопровода над кольцевым сварным швом. При противоположно направленных векторах намагниченности имеет место один экстремум вертикальной компоненты напряженности, а при сонаправленных векторах намагниченности - два экстремума (минимум и максимум).

Предложен метод определения положения кольцевых сварных швов подземного трубопровода путем автоматизированного анализа результатов магнитометрических измерений с учетом информации о длинах и порядке расположения труб, позволяющий уточнить привязку результатов внутритрубной диагностики на местности.

Установлена связь между величиной погрешностей измерения компонент напряженности магнитного поля и точностью определения угловых отклонений датчиков от вертикали и от оси трубопровода, а также точностью определения координат точек измерения относительно трубопровода.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод определения типа магнитного источника по ширине магнитной аномалии при известной глубине заложения трубопровода.

2. Методика расчета усредненной намагниченности участков подземного трубопровода по результатам измерения магнитного поля на поверхности грунта, позволяющая проводить поиск участков с аномальными изменениями намагниченности.

3. Метод поиска кольцевых сварных швов подземного трубопровода по результатам наземного магнитометрического обследования.

4. Метод расчета погрешностей измерения компонент постоянного магнитного поля трубопровода, связанных с позиционированием трехкомпонентных датчиков в точках измерения.

Личный вклад автора. Основные научные и практические результаты диссертации получены автором лично. Автором проведены теоретические исследования, разработка математических моделей, алгоритмов, программного обеспечения, обработка и анализ экспериментальных данных. Большинство полевых измерений и все стендовые экспериментальные работы выполнены автором либо при его непосредственном участии.

Практическая значимость работы. На основании результатов проведенных исследований разработаны методы поиска посторонних ферромагнитных предметов и определения положения кольцевых сварных швов подземного трубопровода при отсутствии и при наличии дополнительной информации о длинах труб на рассматриваемом участке.

Предложена методика расчета усредненной намагниченности металла труб, позволяющая определять участки трубопровода с аномальными изменениями намагниченности.

На основе анализа источников погрешностей измерения магнитного поля разработаны рекомендации по проведению измерений и совершенствованию конструкции магнитометрических приборов.

На основании полученных результатов разработано внешнее программное обеспечение измерительного комплекса для дистанционной магнитометрической диагностики подземных трубопроводов «МАГ-01» производства ОАО «Гипрогазцентр». Поданы две заявки на изобретения.

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 131000 - «Нефтегазовое дело» на кафедре «Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» Нижегородского государственного технического университета.

Получены три акта о внедрении результатов работы.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на научных конференциях всероссийского и международного уровня, в частности, на IV и V Молодежных научно-практических конференциях «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность» (ВНИИГАЗ, г. Москва, 2012, 2013 г.), XIV Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2013» (УГТУ, г. Ухта, 2013 г.), Молодежной научно-практической конференции «Актуальные вопросы проектирования объектов добычи и транспорта газа» (ОАО «Гипрогазцентр», г. Нижний Новгород, 2013 г.), X Всероссийской молодежной конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (РГУ им. Губкина, г. Москва, 2013 г.), V Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (ВНИИГАЗ, г. Москва, 2013 г.), IX Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2013» (УГНТУ, г. Уфа, 2013 г.), научно-технических советах ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» и ОАО «Гипрогазцентр».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 5 статей в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и одного приложения, содержит 178 страниц текста, 76 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 93 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, перечислены задачи исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, представлены сведения о научной новизне и практической значимости полученных результатов.

В первой главе представлена общая характеристика метода дистанционного магнитометрического контроля подземных трубопроводов, основанного на измерении постоянного магнитного поля трубопроводов с поверхности грунта (рисунок 1). Проанализированы основные особенности магнитного поля Земли и магнитного поля, вызванного постоянным током катодной защиты. Рассмотрены основные факторы, влияющие на намагниченность металла трубопровода. Отмечается, что исходная термоостаточная намагниченность, возникающая в процессе производства труб, может изменяться при строительстве трубопровода и в процессе его эксплуатации под влиянием, например, механических напряжений и магнитных впутритрубных дефектоскопов. Кроме того, имеет место намагниченность, индуцированная магнитным полем Земли. В результате намагниченность трубопровода приобретает достаточно сложный вид, что отражается в распределении магнитного поля вдоль проекции оси трубопровода на поверхность грунта.

Считается, что отклонения характеристик магнитного поля от средних значений связаны с дефектами трубопровода либо с повышенными механическими напряжениями. Однако в современных работах, связанных с дистанционными магнитометрическими обследованиями трубопроводов, не уделяется достаточного внимания теоретическому объяснению особенностей

магнитограмм. При расчете параметров источников магнитного поля обычно руководствуются представлениями о том, что эти источники являются локальными. Такие представления могут приводить к недостаточно достоверным выводам о характере распределения намагниченности трубопровода. Для интерпретации результатов измерений практически не используется численное моделирование, широко применяющееся при анализе магнитных аномалий в геологии и археологии. Не разработаны методики решения обратной задачи магнитостатики применительно к подземным трубопроводам.

точки измерений

Рисунок 1 - Схема дистанционного магнитометрического обследования трубопровода диаметром О, ось которого расположена на глубине И относительно поверхности грунта

(

Опыт магнитометрической диагностики показывает, что в районе расположения отдельных кольцевых сварных швов имеются экстремумы вертикальной компоненты магнитного поля и переходы через ноль продольной компоненты. Однако поиск швов по этим особенностям осуществляется путем визуального анализа магнитограмм. Автоматизированных методов поиска швов, учитывающих информацию о длинах труб, не имеется. Данные о точности и достоверности поиска швов по магнитограммам в литературе в достаточной мере 1 не представлены.

Известно, что на точность измерения компонент магнитного поля влияют угловые отклонения датчиков. Для повышения точности измерений предложен ряд конструктивных решений, например, самоустанавливающиеся датчики или внесение поправок на отклонение. Однако для количественного определения необходимой точности позиционирования необходимо проведение теоретических исследований влияния угловых отклонений датчиков и особенно Ц пространственного положения точек измерения относительно трубопровода на погрешности измерения магнитного поля. >

Показано, что для разработки обоснованных методов обработки и интерпретации магнитограмм необходимо проведение систематических теоретических и экспериментальных исследований.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию особенностей пространственного распределения постоянного магнитного поля подземных трубопроводов. Получены приближенные аналитические выражения для магнитного поля бесконечного однородно намагниченного полого цилиндра с произвольным направлением намагниченности. В декартовой системе координат, ось у которой совпадает с осью цилиндра (см. рисунок 1), компоненты напряженности магнитного поля Нх и Н2 определяются соотношениями: (К12-к1)(2(./хх-г.111)х \ (И>г-К1)(2ихх + 1,г)1 У,

2 I, (х2+г2)2 х2 + г2)' г~ 2 [ (х2+22)2 х2 + г2 где Л и Л - компоненты намагниченности, и й2 - внутренний и внешний радиусы цилиндра. Показано, что продольная компонента напряженности

1 а) ;

магнитного поля бесконечного цилиндра Ну равна нулю независимо от значений компонент намагниченности.

Разработана математическая модель для численных расчетов магнитного поля трубопровода с неоднородной намагниченностью. Принцип расчета заключается в том, что моделируемый трубопровод представляется в виде совокупности элементарных источников магнитного поля (магнитных диполей) с заданной намагниченностью. Пусть имеется элемент боковой поверхности трубопровода, представляющий собой геометрическое место точек, продольные координаты которых находятся в диапазоне от у\ до у2, а угловые координаты - в диапазоне от ф! до ф2 (рисунок 2). Диапазон у2 - у\ разделим на п элементарных частей с продольной протяженностью Ду, а диапазон ср2 - ф1 - на т элементарных частей с угловой протяженностью Дф.

А Л

8

Ау

V У У\ У, У г

Рисунок 2 - К расчету магнитного поля, создаваемого элементом боковой поверхности трубопровода

Согласно принципу суперпозиции, напряженность магнитного поля, создаваемого данным элементом в произвольной точке пространства А, определяется следующим соотношением:

'3(/,А)Л„ Л4

* К,

А V, (2)

где I 0 = 1, 2, ... п) и у (/ = 1, 2, ... т) - индексы, характеризующие положение элементарных источников, - вектор намагниченности элементарного источника с индексами /' и у, Щ - вектор, соединяющий центр элементарного источника с индексами г и у и точку А, А К = р8Д уДф - объем элементарного источника, р - среднее арифметическое внешнего и внутреннего радиусов трубопровода, 5 - толщина стенки трубопровода. Если Я - радиус-вектор точки А, а г,у - вектор, соединяющий начало координат и центр элементарного источника с индексами / и j (см. рисунок 2), то справедливо соотношение

(3)

Компоненты вектора г,у определяются следующими выражениями:

хи =-рсо8 , У„=У1+ Д>(/-Л, =рзт[ (4)

ч 2)У " Л г)' " 2

Элементы боковой поверхности трубопровода с разными геометрическими характеристиками и разной намагниченностью могут комбинироваться произвольным образом. За счет этого возможно моделирование различных особенностей намагниченности трубопроводов.

Проведены расчеты магнитного поля локальных источников с разным магнитным моментом и угловым расположением на трубопроводе (рисунок 3).

Исследованы зависимости высоты а и ширины на полувысоте Ь магнитных аномалий локальных источников от расстояния / до точек наблюдения при разных магнитных моментах Р источников. Показано, что при вертикальной ориентации магнитного момента зависимость а(Г) для вертикальной компоненты магнитного поля Нх может быть аппроксимирована функцией вида а{1) = АН , где А - постоянная, пропорциональная величине магнитного момента источника; зависимость Ъ{1) близка к прямо пропорциональной: Ь(1) ~ I. Следовательно, по ширине аномалии можно оценить расстояние до ее источника (рисунок 3, а). При увеличении расстояния до точек измерения происходит сглаживание аномалий (рисунок 3, б). Поэтому при дистанционных измерениях можно определить лишь намагниченность, усредненную участкам трубопровода, линейный размер которых сравним с расстоянием до точек измерения.

1 0 -1

] - -НЫ2

0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5 30,0 32,5 35,0 37,5 40,0 42,5 45,0 47.5 50.0 52,5 55.0 57,5 60,0 62,5 65.0 67,5 70,0 72,5 75.0

Координлтл, м

П Г

4-

~ттг

а) б)

Рисунок 3 - Некоторые результаты численного моделирования магнитного поля локальных источников. Стрелками показано направление векторов магнитных моментов Р локальных источников

Проведено моделирование магнитных полей протяженных цилиндрических источников с размерами, характерными для секций труб, из которых состоит трубопровод. Рассмотрены разные варианты сочетаний намагниченности протяженных источников (рисунок 4, а).

Показано, что при последовательном расположении источников (труб) с отличающейся продольной намагниченностью распределение компонент магнитного поля над осью трубопровода качественно совпадает с характерными распределениями компонент магнитного поля на реальных магнитограммах.

Установлено, что при неоднородной продольной намагниченности соседних труб имеют место два принципиально отличающихся типа распределения магнитного поля над кольцевым сварным швом (рисунок 4, б).

л —1— —

У V J \ 1 V J V Л, V

---- \ щ i /

J \ L 2.0 м

50 60 70 80

130 140 150 160 170 180 190 200

О ) I ) I ) 1 )"

EED

ЛЛ

/ V \

\

V

160 170 180 190 200

а) б)

Рисунок 4 - Некоторые результаты численного моделирования магнитного поля протяженных источников. Стрелками показано направление векторов намагниченности / участков трубопровода

Если вектора намагниченности соседних труб направлены в разные стороны, то в районе шва наблюдается один экстремум Нх. Если вектора намагниченности соседних труб направлены в одну сторону, то в районе шва имеются два экстремума Нх (минимум и максимум), причем шов оказывается расположенным между этими экстремумами. Исследован характер зависимости расстояния между экстремумами Нх и соответствующими кольцевыми сварными швами от намагниченности соседних труб и расстояния от оси трубопровода до точек наблюдения. Рассмотрены принципы разделения полей локальных и протяженных источников.

В третьей главе представлены результаты работ по решению обратной задачи магнитостатики при дистанционном магнитометрическом обследовании трубопроводов. Обратная задача магнитостатики заключается в определении координат, геометрических характеристик и намагниченности источников магнитного поля на основании результатов измерений этого поля в определенных точках пространства. В связи с неоднозначностью и неустойчивостью решения, обратные задачи в общем случае считаются математически некорректными. Для решения таких задач необходимо использование дополнительной информации об источниках поля. Для учета этой информации предлагается использовать интерпретационную модель в виде совокупности последовательно расположенных полых цилиндров с диаметром и толщиной стенки, соответствующими рассматриваемому трубопроводу. Каждый цилиндр характеризуется однородной поперечной и неоднородной продольной намагниченностью. Параметры модели варьируются для достижения наилучшего совпадения расчетного поля, которое

вычисляется с помощью соотношения (2) с учетом (3) и (4), и результатов измерений (рисунок 5). При необходимости может производиться варьирование не только намагниченности, но и линейных координат цилиндрических источников. При этом если параметры модели изменяются в конечных пределах, то полученное решение является устойчивым.

Рисунок 5 - Схема решения обратной задачи магнитостатики для трубопроводов

Среднеквадратичное отклонение расчетного поля от измеренного для у-ой компоненты (/' принимает значениях,^, г) определяется соотношением

(5)

где Нму - у-я компонента напряженности расчетного магнитного поля (поля модели источников) в /-ой точке измерения, Нш] - у-я компонента напряженности измеренного магнитного поля трубопровода в /-ой точке измерения, / - номер точки измерения, /=1,2, ...,п,п- количество точек измерения.

В результате расчета определяются абсолютные значения поперечных (по отношению к оси трубопровода) компонент усредненной намагниченности труб; продольные компоненты намагниченности определяются с точностью до аддитивной постоянной, одинаковой для всех труб на данном участке (рисунок 6). Экспериментальная проверка показала, что предложенная интерпретационная модель достаточно хорошо описывает намагниченное состояние реального трубопровода.

В четвертой главе проведен анализ основных источников погрешностей измерения компонент напряженности постоянного магнитного поля H¡ (/ принимает значения х, у, г) с помощью трехкомпонентных датчиков. При проведении полевых измерений с использованием переносных приборов имеют место погрешности трех типов: приборная погрешность ДЯ,П/,; погрешность, связанная с угловыми отклонениями магнитных осей датчиков от вертикали и оси трубопровода АДуг,; погрешность, связанная с неточностью определения координат точки измерения ДЩф. Погрешности АН^ и М11крд относятся к погрешностям позиционирования датчиков в точках измерения. Суммарные абсолютные погрешности АН„ определяются следующим образом:

= ^ЛН^У . (6)

Л А

- fe ! \ 1

\ / \ у \ / А ЧУ

W

v

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

Координата, м

Рисунок 6 - Пример расчета усредненной намагниченности металла для участка действующего трубопровода

Величины АН,угл могут быть рассчитаны аналитически, если известны погрешности определения угловых отклонений датчиков. Пусть известны результаты измерения Н' (то есть сумма полей Земли Н3' и трубопровода IIт') в декартовой системе координат (х\ у\ г'), связанной с датчиками. Угловое положение системы (х\ у\ г') относительно системы (х, у, г), связанной с трубопроводом, можно охарактеризовать тремя углами: углом отклонения магнитных осей датчиков от направления оси трубопровода а и углами отклонения магнитных осей датчиков от вертикали р и у. Чтобы найти компоненты вектора напряженности магнитного поля Н в нештрихованной системе, необходимо осуществить преобразование координат с использованием соответствующей матрицы поворота М1:

Н=М1Н\ (7)

Матрица М~ — обратная по отношению к матрице преобразования из нештрихованной системы в штрихованную М, которую можно представить в виде произведения матриц Мх у, г на углы а, р, у соответственно:

Му р, М2 у элементарных поворотов вокруг осей х,

м=мг/!му#мхл.

Матрицы элементарных поворотов определяются следующим образом:

Л О о '

Мх = 0 cos а - sin а sina cosa __ углы отклонения

cos р О sin р МЛ„ =010

^-srnP 0 cosPy штрихованной

М,

cosy -siny О sin у cosy О О 0 1

(8)

(9)

Пусть углы отклонения штрихованной системы координат от нештрихованной заданы в следующем виде: а = ао ± Аа, Р = р0 ± АР, у = у0 ± Ау. Найдем разности ЛЯ, компонент векторов напряженности, соответствующих углам поворота а, р, у и ао, Ро, Уо, в системе (х, у, г):

ДЯ,(а,р;у) = ЯДа,р,у)-Я,(а0;Р0,у0). (10)

Если известны границы диапазона изменения углов отклонения Да, ДР, Ду, то можно определить максимально возможные значения абсолютных величин изменения компонент вектора Н (10). Эти значения считаются искомыми погрешностями Дсоответствующих компонент, связанными с неточностью определения угловых отклонений датчиков.

В частном случае, когда имеет место только поворот относительно оси г на угол у (рисунок 7, а), компоненты вектора Н (7) определяются соотношениями

Нх = ЯУ сову + Ну, эту, Ну =-#,, эту + Я^,, соэу, Я, = Нг,. (11)

При уо = 0 получим следующие зависимости разностей AHi (10) от у:

АНХ =Я1,(со8у-1) + Яу, эту, АНу = -Нх, Бту+ Яу.(со8у-1), ДЯг=0. (12)

АН. А/м

Рисунок 7 - Пример расчета погрешностей, связанных с угловыми отклонениями

Графики зависимостей ДНх и ДНу от у (12) при Нх- = 50 А/м и Ну> = 10 АУм представлены на рисунке 7, б. Если компоненты вектора напряженности магнитного поля существенно различаются по величине, то различаются и погрешности измерения этих компонент, связанные с угловыми отклонениями. Наибольшую погрешность имеет наименьшая по величине компонента.

Для расчета погрешностей АН1крд требуется информация о зависимостях компонент напряженности магнитного поля трубопровода от координат Нт1(х, у, £). Пусть координаты точки измерения представлены в следующем виде: х = х0 ± Лх, у = уо ± Ду, г = 20 ± Лг. Величины Ах, Ау и Дг представляют собой погрешности определения координат точки измерения. Определим разности компонент векторов напряженности в двух точках с координатами х, у, г и Хо, Уо,

АН, (х, у, г) — Ят( (х, у, г)- Я„, (х0 ,у0,г0). (13)

При известных величинах Дх, Ау и Дг можно рассчитать максимальные значения абсолютных величин изменения AHi (13). Эти значения считаются погрешностями Дсоответствующих компонент, связанными с неточностью определения координат точек измерения.

Зависимости Нт1(х, у, ¿) для неоднородно намагниченного трубопровода существенно различаются для разных точек наблюдения. Характер этих зависимостей определяется намагниченностью трубопровода. Для точек, расположенных над осью трубопровода (г = 0), зависимости Нш(х) (на расстояниях до ~ 0,3 м от точек измерения) могут быть аппроксимированы функциями вида

= = #„(*) = %, (И)

X X

где Сх, Су, С2 - постоянные, отличающиеся для точек с разными координатами у (рисунок 8, а). Тогда соотношения (13) могут быть записаны в виде:

АН, =Я„,

-1

АН, =0,

АЯ=Я„.

-1

(15)

где Н0тх и Н0т2 - компоненты напряженности в точке с координатами х0, Уо, го = 0.

Согласно (15), изменение глубины на 5% (х0 = 1,0 5х) приводит к изменению х- и г-компонент напряженности магнитного поля на 10%. При типичном значении Нтх =10 А/м абсолютная величина изменения ДНх (15) составит около 1 А/м. Графики зависимостей АНХ и АН2 от х (15) при Н0тх = 10 А/м, Н(]тг = 3 А/м , и х0 = -2,0 м представлены на рисунке 8,6.

В более общем случае, когда точки измерения расположены не строго над осью трубопровода, зависимости Нт,(х, у, г) могут быть определены путем решения обратной задачи магнитостатики с применением численных методов.

Проведена оценка величины погрешностей для реальных участков трубопроводов при разных сочетаниях ошибок определения угловых отклонений ; датчиков и координат точек измерения (таблица 1).

АН. А м 5 ............

Рисунок 8 - Пример расчета погрешностей, связанных с неточностью определения координат точки измерения относительно трубопровода

Таблица 1 - Результаты расчетов средних значений суммарных абсолютных погрешностей для участка трубопровода длиной около 100 м _

Да = ДЗ = Ау, ° Ах = Ду = Аг, м ЛНхс, А/м ДНус, А/м ДН2С, А/м

1,0 0,10 1,03 1,15 1,53

5,0 0,30 3,73 6,09 7,23

0,5 0,30 2,95 0,72 3,35

5,0 0,05 2,21 6,07 6,29

0,5 0,05 0,56 0,57 0,75

Предложенный метод расчета погрешностей позволяет определить точность определения углов и координат, которая необходима для получения требуемой точности измерения магнитного поля.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований особенностей пространственного распределения магнитных полей трубопроводов. Проведены полевые магнитометрические измерения на участках действующих трубопроводов с диаметром от 720 мм до 1420 мм, подлежащих полному диагностическому обследованию. Выполнялись измерения трех компонент напряженности постоянного магнитного поля и глубины заложения оси трубопровода в точках, расположенных вдоль проекции оси трубопровода на поверхность грунта. Расстояние между точками измерений -1м. Анализ полученных магнитограмм с учетом информации о расположении кольцевых сварных швов и дефектов показал, что основные особенности распределения магнитного поля вдоль оси трубопровода связаны с различными комбинациями усредненной намагниченности соседних труб.

Для оценки локальных изменений намагниченности в районе дефектов проведены измерения магнитного поля вблизи поверхности металла трубопровода. Такие измерения проведены при переизоляции участка

магистрального газопровода диаметром 1420 мм при отсутствии избыточного внутреннего давления (50 участков измерений размером 1,0 х 1,0 м2, дефекты: коррозия, механические повреждения, смещение кромок), а также при гидравлических испытаниях дефектной трубы диаметром 1220 мм при разных значениях внутреннего давления (5 участков измерений размером 1,0 х 1,0 м2, дефекты: коррозия, сетки трещин). На рассмотренных участках не обнаружено локальных источников с магнитным моментом, превышающим 0,1 Ам2. Расчеты показали, что источник с таким магнитным моментом при самой благоприятной (вертикальной) его ориентации создает на расстоянии 1 м магнитную аномалию высотой < 0,02 А/м. Очевидно, что при погрешности измерения около 1 А/м рассмотренные дефекты не могут быть обнаружены с поверхности грунта.

Представлены результаты экспериментов по определению влияния изменения механических напряжений в трубопроводе (в результате снижения избыточного внутреннего давления с 6,3 МПа до нуля) на магнитное поле, создаваемое трубопроводом на поверхности грунта (рисунок 9). Объект исследований - участок магистрального газопровода с наружным диаметром 1420 мм. Длина участка измерений - 1700 м.

« - Коррозия — • Смешение кромок — ■ Механическое повреждение

Рисунок 9 - Магнитограммы участка трубопровода при разном внутреннем давлении с указанием расположения кольцевых сварных швов и масштабная

развертка трубопровода с указанием дефектов, обнаруженных в процессе визуального и измерительного контроля

Обнаружена взаимосвязь между статистическими характеристиками изменения компонент напряженности магнитного поля и типом труб. Среднеквадратичное значение изменения вертикальной компоненты напряженности магнитного поля при изменении внутреннего давления составило 1,52 А/м на участках, состоящих из одношовных труб, 2,71 А/м на участках, состоящих из спиралешовных труб, 3,61 А/м на участках, состоящих из двухшовных труб.

В шестой главе сформулированы методы обработки и интерпретации результатов дистанционного магнитометрического обследования подземных трубопроводов, разработанные на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Предложен метод поиска посторонних ферромагнитных предметов, основанный на том, что ширина на полувысоте магнитных аномалий локального источника сравнима с расстоянием от этого источника до точек измерения (рисунок 10).

Разработан метод поиска кольцевых сварных швов, основанный на автоматизированном определении координат локальных экстремумов

вертикальной составляющей напряженности магнитного поля трубопровода Нх (рисунок 11).

Рисунок 10 - Метод поиска посторонних ферромагнитных предметов

Для определения координат экстремумов участок зависимости Нх(у) в окрестностях /-ой точки измерений аппроксимируется отрезком прямой Нх = Еу + О,. Коэффициент Е, при переменной у представляет собой значение производной Нх по координате у в /-ой точке. Для вычисления Е1 используется выражение, известное по задачам линейной аппроксимации с использованием метода наименьших квадратов:

ха+к

£ _ к=-т_т Ак=-Ш

(2т + 1)±У1к-(£У1Л

к=-т \к=-т у

где Н^ - значение вертикальной компоненты в /'-ои точке измерений, у, — линейная координата /-ой точки измерений, к = -т, ..., -1, 0, 1, ..., т, т -величина, характеризующая количество точек, используемых при аппроксимации. Значение т зависит от шага измерений вдоль оси у. При шаге 1 м оптимальное значение т =2. Точки, в которых производная с1Нх1йу = О, представляют собой точки локальных экстремумов Нх.

Результаты измерений вертикальной компонент напряженности магнитного поля //, и глубины заложения оси трубопровода/!. Расстояние между точками измерений вдоль оси трубопровода (осиу) не более 1 м

Учет различия глубины в разных точках измерения Выбор интервала поиска

♦

Поиск локальных экстремумов зависимости Н/у) Расчет степени совпадения швов и экстремумов д

+

Есть данные 1 ----.^цщинах тр^б__—--- Поиск максимумов зависимости

—--- ♦

Результаты поиска - линейные координаты Результаты поиска - линейные координаты швов,

экстремумов зависимости НЖу) соответствующие максимумам зависимости д(у)

Рисунок 11 - Метод поиска кольцевых сварных швов

Для каждого экстремума может быть определена высота м> (рисунок 12, а). Экспериментальная проверка показала, что с увеличением абсолютного значения высоты повышается вероятность наличия кольцевого шва в непосредственной

близости от данного экстремума. Если известны длины и порядок расположения труб на рассматриваемом участке, то эта информация может быть использована при поиске швов. В этом случае создается модель трубопровода, которая смещается вдоль магнитограммы в пределах заданного интервала с заданным шагом (рисунок 12, б). Вводится понятие степени совпадения положения всех экстремумов Нх и кольцевых сварных швов на данном участке q■.

где 4 - расстояние от к-го шва до ближайшего к нему экстремума, м>к - высота этого экстремума. Суммирование в (17) осуществляется по швам, в окрестностях которых имеются экстремумы Нх. Величина д рассчитывается для каждого значения смещения. Определяются значения смещения, при которых степень совпадения максимальна. В результате определяется положение всех швов на рассматриваемом участке.

| U5 1 1Я,0

/

Л

.............f..... у-

Ши...... Т J . щ rJ"

Предполагаемое соложение

лао jti лзи та j Jill sou rr I 41 ■ I . j-yj -¿.J J/1J

Коордтата.м ¡-И КооРД1«ата.м б)

Рисунок 12 - К задаче определения положения кольцевых сварных швов

Проведена проверка предложенного метода на участках трубопроводов с наружным диаметром от 720 до 1420 мм (50 участков длиной 100 м каждый). Установлено, что при ширине интервала поиска 10 м для 52% участков положение кольцевых сварных швов определяется с ошибкой менее 1 м. Если ширина интервала поиска превышает длину трубы, и отсутствуют нарушения периодичности расположения швов, то задача поиска конкретного шва однозначно не решается. В этом случае координаты швов определяются с точностью до аддитивной постоянной, кратной средней длине трубы.

Разработанные методы поиска посторонних предметов, определения координат кольцевых сварных швов, расчета усредненной намагниченности металла и вычисления погрешностей полевых магнитометрических измерений в комплексе могут быть использованы для поиска потенциально опасных участков подземных трубопроводов, на которых требуется проведение шурфований и диагностических обследований с использованием методов неразрушающего контроля (рисунок 13). К потенциально опасным относятся участки с локальными неоднородностями намагниченности, на которых абсолютные

значения разности измеренного и аппроксимирующего полей АН превышают величину погрешности измерения магнитного поля ДН^,, а также участки, на которых абсолютные значения изменения продольной намагниченности соседних труб А/ превосходят критическое значение Д/^,, в качестве которого, как показал анализ результатов расчетов намагниченности металла труб на рассмотренных в ходе работы участках, может использоваться значение 2-104 А/м. Условие А/ > А1кр выполнялось, например, на участках трубопроводов в районе их изгиба в профиле.

Рисунок 13 - Последовательность комплексной обработки результатов магнитометрического контроля подземных трубопроводов

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие осуществлять реализацию предложенных методов поиска посторонних ферромагнитных предметов и кольцевых сварных швов, а также расчет усредненной намагниченности металла труб и вычисление погрешностей полевых магнитометрических измерений в автоматизированном режиме.

ВЫВОДЫ

1. На основании теоретического исследования магнитного поля локальных и протяженных участков трубопровода установлено, что основные особенности распределения постоянного магнитного поля подземного трубопровода на поверхности грунта объясняются различными комбинациями усредненной намагниченности соседних труб.

2. Разработана методика расчета усредненной намагниченности труб на основании результатов наземных магнитометрических измерений, позволяющая локализовать участки трубопроводов с аномальными изменениями намагниченности металла.

3. Предложен метод расчета погрешностей измерения компонент напряженности магнитного поля подземного трубопровода и проведена оценка их величины. Установлено, что для достижения абсолютных погрешностей измерения компонент напряженности постоянного магнитного поля трубопровода, не превышающих 1 А/м, требуется измерение углов отклонений магнитных осей датчиков от вертикали и от оси трубопровода с погрешностью менее 1°, а также определение координат точек измерения относительно трубопровода с погрешностью менее 0,1 м.

4. Проведены экспериментальные исследования влияния конструктивных особенностей, дефектов и механических напряжений на магнитное поле трубопровода. Обнаружена взаимосвязь между величиной изменения магнитного поля при изменении внутреннего давления и типом труб. Среднеквадратичное значение изменения вертикальной компоненты напряженности магнитного поля при изменении избыточного внутреннего давления от 6,3 МПа до нуля составило 1,52 А/м на участках, состоящих из одношовных труб, 2,71 А/м на участках, состоящих из спиралешовных труб, 3,61 А/м на участках, состоящих из двухшовных труб.

5. Разработан метод определения положения кольцевых сварных швов подземных трубопроводов. Проведена экспериментальная проверка метода на пятидесяти стометровых участках действующих трубопроводов. Установлено, что если известна информация о длинах труб, то при ширине интервала поиска менее 10 м положение кольцевых сварных швов на участках измерения определяется однозначно, при этом ошибка определения для 52% участков не превышает 1 м.

6. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для автоматизированной обработки результатов дистанционного магнитометрического контроля подземных трубопроводов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пужайло, А.Ф. Оценка точности измерения компонент магнитного поля при магнитометрических обследованиях подземных трубопроводов с поверхности грунта / А.Ф. Пужайло, С.С. Гуськов, C.B. Савченков, В.В. Мусонов, Р.В. Агиней // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2012. -№4.-С. 28-32.

2. Савченков, C.B. Экспериментальные исследования изменения магнитного поля трубопровода в зонах поверхностных дефектов / C.B. Савченков, В.В. Мусонов, С.С. Гуськов // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2012. - № 5. - С. 38 - 42.

3. Агиней, Р.В. Моделирование магнитных аномалий при проведении магнитометрического контроля трубопроводов с поверхности грунта / Р.В. Агиней, С.С. Гуськов, В.В. Мусонов // Трубопроводный транспорт: теория и практика.-2013,-№ 1.-С. 40-45.

4. Гуськов, С.С. Локализация кольцевых сварных швов трубопроводов на основании результатов наземных магнитометрических обследований / С.С. Гуськов, Р.В. Агиней, Е.А. Спиридович, В.В. Мусонов // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2013. - № 4. - С. 24 - 27.

5. Гуськов, С.С. Способ дистанционного поиска кольцевых сварных швов подземных трубопроводов / С.С. Гуськов, Е.А. Спиридович, В.В. Мусонов, Р.В. Агиней, P.A. Садртдинов // Газовая промышленность. - 2013. - № 10. — С. 22 -25.

6. Гуськов, С.С. Численные расчеты магнитного поля трубопровода с заданной намагниченностью / С.С. Гуськов // IV научно-практическая молодежная конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность». Тезисы докладов. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2012. - С. 60.

7. Гуськов, С.С. Теоретические и экспериментальные исследования, направленные на повышение достоверности интерпретации результатов дистанционного магнитометрического обследования трубопроводов / С.С. Гуськов // XIV международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2013». Материалы конференции. - Ухта: УГТУ, 2013. - С. 179 -

8. Гуськов, С.С. Разработка методов интерпретации результатов дистанционного магнитометрического обследования трубопроводов / С.С. Гуськов // Научно-практическая конференция «Актуальные вопросы проектирования объектов добычи и транспорта газа». Материалы конференции. -Нижний Новгород: ОАО «Гипрогазцентр», 2013. - С. 13-14.

9. Гуськов, С.С. Обработка и анализ результатов дистанционного магнитометрического обследования трубопроводов / С.С. Гуськов // Юбилейная десятая всероссийская конференция «Новые технологии в газовой промышленности». Тезисы докладов. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2013. — С. 18.

10. Гуськов, С.С. Использование результатов дистанционных магнитометрических обследований трубопроводов для определения положения кольцевых сварных швов / С.С. Гуськов, Е.А. Спиридович, В.В. Мусонов // V международная научно-техническая конференция «Газотранспортные системы: настоящее и будущее». Тезисы докладов. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. - С. 127.

11. Гуськов, С.С. Особенности изменения магнитного поля на поверхности грунта при изменении внутреннего давления в подземном трубопроводе / С.С. Гуськов, В.В. Мусонов, С.В. Савченков // IX международная учебно-научно-практическая конференция «Трубопроводный транспорт - 2013». Материалы конференции. - Уфа: УГНТУ, 2013. - С. 49 - 51.

12. Гуськов, С.С. Экспериментальная проверка дистанционного магнитометрического метода поиска кольцевых сварных швов подземных трубопроводов / С.С. Гуськов // V международная молодежная научно-практическая конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность». Тезисы докладов. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. - С. 72.

Подписано в печать 14.02.2014. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 130.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева.

Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

182.

Открытое акционерное общество «Гипрогазцентр»

На правах рукописи ---

04201457243

ГУСЬКОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИСТАНЦИОННОГО МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ

ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, старший научный сотрудник Спиридович Евгений Апполинарьевич

Нижний Новгород - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................6

Глава 1. ДИСТАНЦИОННЫЕ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЕ ОБСЛЕДОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ..........................................11

1.1. Составляющие напряженности магнитного поля вблизи

трубопровода..............................................................................................................11

1.1.1. Магнитное поле Земли.................................................................................12

1.1.2. Магнитное поле постоянного тока катодной защиты..............................12

1.2. Факторы, влияющие на намагниченность металла трубопроводов..............13

1.3. Работы по дистанционной магнитометрической диагностике трубопроводов............................................................................................................17

1.4. Обобщение результатов главы 1.......................................................................25

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ..................................27

2.1. Магнитное поле бесконечного однородно намагниченного полого цилиндра с произвольным направлением намагниченности................................27

2.2. Математическая модель для расчета магнитного поля трубопровода с неоднородной намагниченностью............................................................................29

2.3. Пространственное распределение магнитного поля локальных источников..................................................................................................................34

2.3.1. Магнитное поле локальных источников с разным угловым расположением........................................................................................................34

2.3.2. Зависимость характеристик магнитных аномалий от расстояния

до источников..........................................................................................................35

2.3.3. Магнитное поле источников с одинаковым магнитным моментом

и разной пространственной конфигурацией........................................................38

2.4. Пространственное распределение магнитного поля протяженных источников..................................................................................................................40

2.4.1. Магнитное поле отдельных труб с однородной

намагниченностью..................................................................................................40

2.4.2. Магнитное поле при разных вариантах сочетаний однородной намагниченности последовательно расположенных труб.................................42

2.4.3. Магнитное поле при разных вариантах сочетаний неоднородной намагниченности последовательно расположенных труб.................................45

2.4.4. Два типа распределения магнитного поля в районе кольцевого сварного шва...........................................................................................................47

2.4.5. Влияние намагниченности труб на положение экстремумов вертикальной составляющей напряженности магнитного поля........................49

2.5. Принципы разделения полей локальных и протяженных источников.........53

2.6. Обобщение результатов главы 2.......................................................................55

Глава 3. РАСЧЕТ НАМАГНИЧЕННОСТИ МЕТАЛЛА ТРУБОПРОВОДА

НА ОСНОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИСТАНЦИОННЫХ

МАГНИОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ.................................................................57

3.1. Обратные задачи и способы их решения..........................................................57

3.2. Определение усредненной намагниченности элементов трубопровода

на основании результатов наземных магнитометрических измерений...............60

3.3. Проверка разработанной методики расчета усредненной намагниченности........................................................................................................65

3.4. Пространственное распределение магнитного поля неоднородно намагниченного трубопровода.................................................................................67

3.5. Обобщение результатов главы 3.......................................................................78

Глава 4. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОГО

МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ..................................79

4.1. Источники погрешностей при полевых измерениях постоянного магнитного поля с использованием трехкомпонентных датчиков.......................79

4.2. Приборная погрешность.....................................................................................80

4.3. Погрешность, связанная с угловыми отклонениями магнитных осей датчиков от вертикали и оси трубопровода............................................................81

4.4. Погрешность, связанная с неточностью определения координат точки измерения....................................................................................................................84

4.5. Расчет погрешностей измерения напряженности магнитного поля реального участка трубопровода..............................................................................88

4.6. Обобщение результатов главы 4.......................................................................93

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ..................................95

5.1. Результаты измерения магнитного поля участков трубопроводов, подлежащих диагностическому обследованию......................................................95

5.2. Результаты измерения магнитного поля у поверхности металла в районе расположения дефектов. Оценка магнитных моментов

источников, связанных с дефектами......................................................................102

5.3. Результаты измерения магнитного поля дефектной трубы при циклическом изменении давления в процессе проведения гидравлических испытаний.................................................................................................................108

5.4. Результаты измерения магнитного поля протяженных участков трубопровода при наличии и при отсутствии избыточного внутреннего давления....................................................................................................................117

5.5. Обобщение результатов главы 5.....................................................................128

Глава 6. МЕТОДЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ МАГНИТОГРАММ................................130

6.1. Причины формирования основных особенностей реальных магнитограмм...........................................................................................................130

6.2. Некоторые частные задачи и их решение.......................................................131

6.2.1. Учет магнитного поля Земли при проведении магнитометрических измерений на криволинейных (в плане) участках трубопроводов.......................................................................................................131

6.2.2. Учет различия расстояния до трубопровода для разных точек измерения...............................................................................................................134

6.3. Поиск посторонних ферромагнитных предметов..........................................136

6.4. Поиск кольцевых сварных швов......................................................................139

6.5. Комплексная обработка результатов магнитометрического контроля подземных трубопроводов......................................................................................153

6.6. Программное обеспечение для обработки магнитограмм............................155

6.7. Обобщение результатов главы 6.....................................................................159

ВЫВОДЫ.....................................................................................................................161

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.............................................................................176

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Важным аспектом обеспечения безопасного функционирования систем магистрального трубопроводного транспорта является своевременное диагностирование и устранение критических дефектов. Применяемые в настоящее время методы диагностики технического состояния подземных трубопроводов являются дорогостоящими и технически сложными. Неразрушающие методы контроля характеризуются высокой трудоемкостью и низкой производительностью, внутритрубная диагностика ограничена технической возможностью пропуска снаряда на ряде участков трубопроводов. Для проведения экспресс-диагностики технического состояния подземных трубопроводов и назначения мест шурфований для обследования методами неразрушающего контроля в комплексе с электрометрическими методами применяются методы дистанционной магнитометрической диагностики, основанные на измерении постоянного магнитного поля трубопровода с поверхности грунта. Эти методы позволяют получить информацию о трубопроводе без проведения земляных работ. Особенно высока потребность в таких методах для трубопроводов, не оборудованных для проведения внутритрубной диагностики. Исследованиям и разработкам в этом направлении посвящены труды таких ученых и специалистов, как Б.Ь. АШеЛоп, Б.С. Л1е8, "\¥.Т. БоууегЬиИз, М.С. Бахарев, Ю.Е. Григорашвили, В.В. Коннов, Е.И. Крапивский, И.Н. Модин и др. Разработан ряд приборов для проведения магнитометрической диагностики трубопроводов: «ИАМ», «СКИФ-МБС-04», «М-1», «АЭМД», приборы серии «Орион», модификации приборов серии «ИКН». В ОАО «Гипрогазцентр» разработан комплекс для дистанционной магнитометрической диагностики подземных трубопроводов «МАГ-01». Однако способы, используемые в настоящее время для анализа результатов магнитометрических измерений, являются эмпирическими. Поэтому разработка физически обоснованных и достоверных методов интерпретации магнитограмм является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы - разработка научно обоснованных методов обработки результатов дистанционных магнитометрических измерений для определения участков подземных трубопроводов, на которых требуется проведение шурфований и диагностических обследований.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести теоретическое исследование особенностей распределения магнитного поля подземных трубопроводов на поверхности грунта с использованием численного моделирования магнитных полей трубопроводов с неоднородной намагниченностью.

2. Разработать методику определения усредненной намагниченности металла подземного трубопровода по результатам измерения магнитного поля на поверхности грунта на основе решения обратной задачи магнитостатики.

3. Провести анализ источников погрешностей при полевых измерениях постоянного магнитного поля подземного трубопровода, разработать метод расчета погрешностей, связанных с позиционированием датчиков.

4. Провести экспериментальные исследования пространственного распределения магнитного поля участков действующих трубопроводов с известным расположением конструктивных особенностей и дефектов.

5. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение процесса обработки результатов дистанционного магнитометрического контроля подземных трубопроводов.

Научная новизна работы. Разработана методика расчета усредненной намагниченности металла подземного трубопровода по результатам измерения магнитного поля на поверхности грунта, позволяющая локализовать участки трубопроводов с аномальными изменениями намагниченности металла.

Установлена зависимость между магнитным моментом локального источника, расположенного на поверхности трубопровода, расстоянием до точек измерения и точностью измерения магнитного поля, при которой этот источник может быть найден.

Получены зависимости компонент напряженности магнитного поля от координат при различных сочетаниях намагниченности соседних труб. Показано, что при неоднородной продольной намагниченности труб могут наблюдаться два типа распределения поля вдоль оси трубопровода над кольцевым сварным швом. При противоположно направленных векторах намагниченности имеет место один экстремум вертикальной компоненты напряженности, а при сонаправленных векторах намагниченности - два экстремума (минимум и максимум).

Предложен метод определения положения кольцевых сварных швов подземного трубопровода путем автоматизированного анализа результатов магнитометрических измерений с учетом информации о длинах и порядке расположения труб, позволяющий уточнить привязку результатов внутритрубной диагностики на местности.

Установлена связь между величиной погрешностей измерения компонент напряженности магнитного поля и точностью определения угловых отклонений датчиков от вертикали и от оси трубопровода, а также точностью определения координат точек измерения относительно трубопровода.

Теоретическая значимость работы. Получено теоретическое объяснение основных особенностей магнитограмм подземных трубопроводов большого диаметра. Получены приближенные аналитические выражения для расчета напряженности магнитного поля бесконечного однородно намагниченного полого цилиндра с произвольным направлением намагниченности. Разработана математическая модель и программное обеспечение для численных расчетов магнитного поля трубопровода с неоднородной намагниченностью. Предложена методика расчета усредненной намагниченности участков подземного трубопровода по результатам измерения магнитного поля на поверхности грунта. Проведен анализ основных источников погрешностей измерения магнитного поля трубопровода при использовании трехкомпонентных датчиков.

Практическая значимость работы. На основании результатов проведенных исследований разработаны методы поиска посторонних ферромагнитных предметов и определения положения кольцевых сварных швов подземного

трубопровода при отсутствии и при наличии дополнительной информации о длинах труб на рассматриваемом участке.

Предложена методика расчета усредненной намагниченности металла труб, позволяющая определять участки трубопровода с аномальными изменениями намагниченности.

На основе анализа источников погрешностей измерения магнитного поля разработаны рекомендации по проведению измерений и совершенствованию конструкции магнитометрических приборов.

На основании полученных результатов автором разработано внешнее программное обеспечение измерительного комплекса для дистанционной магнитометрической диагностики подземных трубопроводов «МАГ-01».

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 131000 - «Нефтегазовое дело» на кафедре «Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» Нижегородского государственного технического университета.

Поданы две заявки на изобретения. Акты о внедрении результатов диссертационной работы представлены в приложении А.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Метод определения типа магнитного источника по ширине магнитной аномалии при известной глубине заложения трубопровода.

2. Методика расчета усредненной намагниченности участков подземного трубопровода по результатам измерения магнитного поля на поверхности грунта, позволяющая проводить поиск участков с аномальными изменениями намагниченности.

3. Метод поиска кольцевых сварных швов подземного трубопровода по результатам наземного магнитометрического обследования.

4. Метод расчета погрешностей измерения компонент постоянного магнитного поля трубопровода, связанных с позиционированием трехкомпонентных датчиков в точках измерения.

Личный вклад автора. Основные научные и практические результаты диссертации получены автором лично. Автором проведены теоретические исследования, разработка математических моделей, алгоритмов, программного обеспечения, обработка и анализ экспериментальных данных. Большинство полевых измерений и все стендовые экспериментальные работы выполнены автором либо при его непосредственном участии.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на научных конференциях всероссийского и международного уровня, в частности, на IV и V Молодежных научно-практических конференциях «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность» (ВНИИГАЗ, г. Москва, 2012, 2013 г.), XIV Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2013» (УГТУ, г. Ухта, 2013 г.), Молодежной научно-практической конференции «Актуальные вопросы проектирования объектов добычи и транспорта газа» (ОАО «Гипрогазцентр», г. Нижний Новгород, 2013 г.), X Всероссийской молодежной конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (РГУ им. Губкина, г. Москва, 2013 г.), V Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (ВНИИГАЗ, г. Москва, 2013 г.), IX Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2013» (УГНТУ, г. Уфа, 2013 г.), научно-технических советах ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» и ОАО «Гипрогазцентр».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ [А1 - А12], из них 5 статей в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и одного приложения, содержит 178 страниц текста, 76 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 93 наиме�