автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Повышение эффективности магнитометрического метода дистанционного контроля технического состояния подземных магистральных трубопроводов

На правах рукописи

ЛЮБЧИК Анна Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ СВАРНЫХ ШВОВ И НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ПОДЗЕМНОГО СТАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005551989

005551989

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреяедении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель —

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Крапивский Евгений Исаакович

Официальные оппоненты:

Поляков Вадим Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина», кафедра проектирования и эксплуатации газонефтепроводов, профессор

Вишневская Надежда Семеновна, кандидат технических наук, ФГБОУ ВНО «Ухтинский государственный технический университете», кафедра проектирования и эксплуатации магистральных газонефтепроводов, доцент

Ведущее предприятие - ОАО «Гипрогазцентр»

Защита состоится 27 июня 2014 г. в 18 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 25 апреля 2014г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ днссертациопного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 A.A., Загидуллин Р.В., Клюев В.В., Коршак A.A., 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:

1. Провести анализ существующих дистанционных методов состояния магистральных трубопроводов и приборов для их осуществления. Дана оценка эффективности их применения для подземных магистральных трубопроводов;

2. 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;

3. 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;

4. Разработать новый тип магнитометра градиентометра для исследования магнитных полей трубопроводов;

5. Провести расчеты аномальных магнитных полей стального трубопровода в среде ANS YS 13.

Научная новизна работы:

1. 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;

2. Получены новые зависимости взаимно ортогональных составляющих вектора напряженности постоянного магнитного поля от местоположения сварных швов и напряженного состояния линейной части подземного трубопровода.

3. 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 А^УБ 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:

1. 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.

2. Экспериментально доказана адекватность использования математической модели горизонтального кругового цилиндра для расчета магнитного поля трубопровода конечной длины.

3. 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.); Ю-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), 2008-2010гг.); 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.

Во введении представлена общая характеристика диссертационной работы, актуальность исследований, сформулирована идея работы, определены цели и основные задачи исследования, научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе проведен анализ состояния теоретических и экспериментальных исследований в области дистанционной магнитной диагностики подземных трубопроводов по

отечественным и зарубежным источникам, позволивший определить основные направления и современный уровень развития средств и методов дистанционного контроля трубопроводов, что позволило осуществить постановку задачи и определить основные направления исследований.

Во второй главе представлено краткое описание многодетекторной магнитометрической системы, а также приборов созданных по ТЗ научного руководителя и автора работы, используемых в лабораторных и полевых исследованиях магнитных полей стальных магистральных подземных трубопроводов.

В третьей главе проведен анализ теоретических исследований магнитных полей стальных подземных трубопроводов, доказывающий необходимость лабораторных исследований и их численного моделирования. В среде ANS YS 13 проведено математическое моделирование магнитного поля трубопровода конечной длины с дефектами, в результате чего получены графики составляющих индукции магнитного поля и модуля полного вектора при изменении условий измерения.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований сборок постоянных магнитов и модели трубопровода. Полученные результаты подтвердили адекватность математической и физической моделей.

В пятой главе описана методика интерпретации исследования и проанализированы результаты полевых исследований магнитных полей подземных магистральных трубопроводов.

В заключении представлены обобщенные выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и поставленными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Использование 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 подземных стальных трубопроводов с точностью до 0,1 м.

Проведенный анализ теоретических исследований в области магнитной диагностики подземных трубопроводов, выявил необходимость доработки существующих методов диагностирования, путем совершенствования устройств используемых для его реализации.

В 2008 году компанией ООО «НПО ЭНТ» был создан магнитометр-градиентометр, включающий два трехкомпонентных датчика индукции магнитного поля и акселерометр (рисунок 1). Аппаратура испытана в лаборатории диагностики Горного университета и в ОАО «Севергазпром» автором диссертационной работы под руководством Крапивского Е.И.

Рисунок 1 - Общий вид магнитометра - градиентометра

В 2009 году были созданы: комплекс электромагнитной диагностики КЭМДТ, который включает в себя четыре трехкомпонентных датчика индукции постоянного и низкочастотного переменного магнитного поля и три однокомпонентных датчика индукции переменного магнитного поля (индукционные антенны) (рисунок 2) и аппаратура для магнитометрического и электрометрического обследования трубопроводов в движении АЭМД.

Рисунок 2 - Общий вид магнитометра-градиентометра КЭМДТ с

оператором: 1,2,3 - преобразователи индукции переменного магнитного поля (индукционные антенны); 4,5 - преобразователи индукции магнитного поля трехкомпонентные феррозонды; 6 -несущий каркас измерительного блока, 7 - жгут кабелей; 9 -компьютер, 10 - пульт прибора На основе созданных в период с 2008 по 2010 гг., по ТЗ научного руководителя и автора работы, устройств дистанционного контроля местоположения напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода, была предложена многодетекторная магнитометрическая система, состоящая из трех пар феррозондов постоянного магнитного поля, расположенных ортогонально друг относительно друга и акселерометра (рисунок 3). Основные технические характеристики магнитометрической системы, представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные технические характеристики магнитометрической системы_

Основные технические характеристики

Кол-во трехкомпонентных датчиков индукции постоянного магнитного поля, шт. 6

Рабочий диапазон индукции постоянного магнитного поля, мкТл ±200

Разрешающая способность индукции постоянного магнитного поля, мкТл 0,05

Рабочий диапазон градиента (разности) индукции постоянного магнитного поля, мкТл ±10

Разрешающая способность градиента (разности) индукции постоянного магнитного поля, мкТл 0,01

Предел основной погрешности измерения индукции постоянного магнитного поля 3%+5ЕМР

Продолжение таблицы 1 - Основные технические характеристик магнитометрической системы__

Предел основной погрешности измерения градиента (разности) индукции постоянного магнитного поля 5%+5ЕМР

Количество однокомпонентных датчиков индукции переменного магнитного поля, шт. 3

Рабочий диапазон индукции переменного магнитного поля, нТл 20

Разрешающая способность индукции переменного магнитного поля, нТл 0,02

Предел основной погрешности измерения индукции переменного магнитного поля 5%+5ЕМР

Рабочий диапазон частот, Гц 100±2

Подавление сигнала частотой 50 Гц, дБ 40

Длительность непрерывной работы без подзарядки аккумулятора, час Не менее 10

Масса, кг 8

Экспериментально установлено, что для повышения точности проводимых измерений индукции постоянного магнитного поля с помощью магнитометрического аппаратуры, необходимо учитывать погрешности и вводить поправочные коэффициенты.

Воспроизводимость результатов измерений служит интегральной оценкой погрешности. Погрешность магнитного метода определяется по формуле (1):

СГ = л/о-,2 + 0*2 + ег32 + ... ^

где ег; - составляющие общей погрешности.

Можно выделить следующие составляющие:

1. сгв- погрешность воспроизводимости. Определяется при постоянном положении прибора и связано с аппаратурной погрешностью. 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 мк Тл для фоновых значений магнитного поля и достигает 0,1 мк Тл при измерениях над трубопроводом.

При высокоточных наблюдениях необходимо записывать расстояние магниточувствительного элемента до земной поверхности и глубину залегания трубопровода, определенную методом исследования магнитных составляющих поля трубопровода.

Погрешность воспроизводимости исследовалась, как при лабораторных измерениях, так и при работах на магистральном трубопроводе. Вычислялась оценка погрешности

воспроизводимости, результаты приведены в таблице 2.

2- угловая погрешность измерений. Условно можно

разделить на две части: погрешность девиации и погрешность акселерометра.

2.1. Погрешность девиации. Первая часть угловой погрешности зависит от ориентации датчика в магнитном поле, которая может быть уменьшена путем постоянной ориентации датчика относительно магнитного поля Земли и/или трубопровода.

Девиация Д, обусловленная изменением курса носителя, называется курсовой девиацией и выражается зависимостью, установленной Арчибальдом Смитом (1862 г.)

А = А + 5 sin К + С cos К + £>sin 2К + Ecos2K (2) где К магнитный курс носителя; А - постоянное угловое отклонение, поскольку определяемая им величина не зависит от курса; В и С - коэффициенты полукруговой девиации (соответствующая им девиация меняет знак через 180°); D и Е -коэффициенты четвертной девиации (меняющей знак через 90°).

Погрешность параллельности компенсируется третьим вспомогательным зондом, установленным перпендикулярно измерительной оси градиентометра и имеющим возможность вращения, совпадающую по направлению с этой осью.

2.2. Погрешность акселерометра. Вторая часть угловой погрешности зависит от отклонения датчика от вертикали и может быть уменьшена путем введения поправок на показания акселерометра. Согласно теоретическим расчетам эта погрешность минимальная для Z-составляющей магнитного поля и Z-градиента и может достигать 0,1 мкТл для X и Y составляющих магнитного поля.

В лабораторных условиях для определения поправок на показания акселерометра были проведены измерения составляющих постоянного магнитного поля в зависимости от изменения угла наклона датчика (рисунок 4).

A ll16 KllOl*

V U1 у

0,96

-во -ю 5Вадусы

Рисунок 4 - Зависимость коэффициентов поправок магнитного поля от поворота датчиков аппаратуры вокруг оси

Экспериментально установлено, что введения поправок на: наклон датчика в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси; поворот датчика в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, позволяет повысить точность измерений

Рисунок 3 - Схема дистанционного магнитометрического контроля подземного трубопровода, диаметром - О и расстояние между центральной осью трубопровода и дневной поверхностью -Ь

1,2,3 - преобразователи индукции переменного магнитного поля однокомпонентный (индукционные антенны) НВ0809; 4 - преобразователь индукции постоянного магнитного поля трехкомпонентной разностной (феррозонд) НВ0709-800 (вертикальное положение); 5 - преобразователи индукции магнитного поля трехкомпонентной разностной (феррозонд) НВ0709-600 (горизонтальное положение); 6 - трехкомпонентный акселерометр; 7,8,9,10,11,12 - трехкомпонентные феррозонды; 13- металлический трубопровод; 14 - феррозондовая антенна; 15-поверхность грунта; 16 -центральная ось трубопровода;

Расстояние,м

4 Расстояние,м 8

Рисунок 6 - Зависимости абсолютной и относительной погрешностей определения пространственного положения трубопровода от горизонтального смещения относительно оси трубопровода

на высоте 0 м от оси на высоте 1 м от оси градиенты

ХО УО го XI У1 Ъ\ АХ ДУ №

3,12 1,61 5,89 2,66 1,84 0,66 2,37 1,98 2,09

X,

мкТл

х, у, г

мкТл

Рисунок 7 - Зависимость составляющих постоянного магнитного поля: А. при удалении в сторону от трубы, Б. над осью трубы при изменении высоты расположения датчика

Памеренпя по обртукицей 1, датчик вертикально к трубе

Рисунок 13 - Влияние напряженных состояний трубопровода на магнитное поле

индукции постоянного магнитного поля. Значение компонент магнитного поля с учетом поправки рассчитывается по формуле: Z = ZQ{\ + K■s\na + C■sm2 а) (3) где Ъ -величина индукции вертикальной составляющей магнитного поля с учетом поправки, - величина индукции вертикальной составляющей магнитного поля, без учета поправки; а - угол поворота датчика аппаратуры в горизонтальной плоскости; К-коэффициент поправки на поворот датчиков аппаратуры в горизонтальной плоскости; С - постоянная величина.

Курсовая погрешность максимальная для составляющей перпендикулярной оси трубопровода, может достигать 1 мкТл в аномальных полях, что делает необходимым введение поправок, которые позволят повысить точность измерений в экспериментальных условиях, на рисунке 5 показано влияние введения поправок на точность получения данных.

3. ах- погрешность отклонения оси прибора от оси трубопровода. Эта погрешность зависит, как от расстояния до оси трубопровода, так и от его диаметра и различна для различных составляющих феррозондовых датчиков. Данная погрешность может быть сведена к минимуму за счет использования индукционных антенн (рисунки 6, 7).

Рисунок 5 - Составляющие постоянного магнитного поля X, У,г, измеренные вдоль трех секций трубопровода 2. Для установления местоположения сварных швов трубопровода необходимо определить направление намагниченности его смежных секций на расстоянии более 1 метра от сварного шва и форму магнитной аномалии.

Существует три вида стыков между звеньями трубопровода: вектора намагниченности сходятся, расходятся или коллениарны (имеют одинаковое направление).

В результате двумерного моделирования (рисунок 8) 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.

3 1

-- ±1+ \ -1- ■ +1

J 2 > !Г 3

1- X + 1 + - -11 /ч II- / + 1

J

Рисунок 8 - Модели трубопроводов, содержащие три вида стыков между звеньями трубопровода, Л- вектор полной намагниченности

трубопровода

Важным результатом является то, что для некоторых секций труб выявлена пониженная намагниченность. Причиной пониженной намагниченности могут быть конструктивные особенности труб, три типа: 1) с одним продольным швом; 2) с двумя продольными швами; 3) ленточные.

Рисунок 9 - Значение вектора полной намагниченности J вдоль оси участка трубопровода, содержащего звено с пониженной намагниченностью

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 представлены на рисунке 9.

Рисунок 10 - а) Составляющие магнитного поля четырех магнитов соединенных одинаковыми полюсами; б) сборка перевернута вниз

Данная теория была проверена на сборке постоянных магнитов для разных последовательностей, на рисунке 10 представлены графики составляющих магнитного поля для четырех магнитов соединенных одинаковыми полюсами.

При изучении составляющих постоянного магнитного поля на модели трубопровода, представляющей собой три звена труб диаметром 10 см и длинной 50 см практически исследован тот факт, что при переходе от одного звена к другому изменяется форма магнитной аномалии, т.е. наблюдается резкий максимум (как в случае с вертикальной составляющей 7), минимум или изменение знака поля (рисунок 5).

3. Экспериментально подтверждено напряженно-деформированные состояния трубопроводов проявляются в магнитном поле, в виде знакопеременной аномалии его составляющих.

Исследования магнитных полей подземных магистральных трубопроводов проводились на газопроводах Ухта-Торжок, магистральном нефтепроводе в районе г. Ухты. Измерение магнитного поля трубопроводов Ухта-Торжок подтвердило вывод о сложном характере магнитного поля трубопроводов, обусловленным, главным образом, остаточной намагниченностью и влиянием сварных швов.

-3<И -л 1.. .......^ 1

Рисунок 12 - Составляющие X, У, Z постоянного магнитного поля на аномальном участке (коррозия 25 %) газопровода "Ухта-Торжок-3", 40,5 км. А, Высота датчика 0 м, В. Высота датчика 1 м

Коррозионные участки трубопровода, выделенные по данным внутритрубной магнитной дефектоскопии, выделяются аномалиями Z и У-составляющих магнитного поля и, особенно, их градиента (рисунок 12).

Напряженно-деформированные состояния (НДС),

обусловленные разрушением опор (подвесов) трубопровода, коррозией, сказываются на всех трех составляющих магнитного поля как - знакопеременные аномалии (рисунок 13). Поле Ъ высоко градиентное, поэтому, для определения стыков нужно измерять изменение его значений. Поле У (направлено вдоль трубы) больше связано с фактором размагничения и с остаточной намагниченностью, поэтому напряженно-деформированные состояния в вертикальном направлении оказывают на него влиять. Поле X (перпендикулярно трубе) связано с остаточной намагниченностью и напряженно-деформированные состояния, оказывают на него сильное влияние. Так же НДС можно определять по графику отношения разности X к разности У (или наоборот).

По полученным результатам исследования магнитных полей трубопроводов, сформулированы следующие выводы:

1. Магнитное поле на высоте 1 м менее контрастно, чем при максимальном приближении к трубопроводу (рисунок 14).

2. Периодичность составляющих магнитного поля приблизительно соответствует длине секции трубы (рисунок 5). С большей четкостью она проявляется по Х-составляющей

(параллельной трубопроводу) По этой составляющей в большинстве случаев отмечаются стыки различных секций труб. Наиболее информативна ¿-составляющая (вертикальная).

10000 0

-10000 -20000 -30000 -40000

20000 10000 0

-10000 1 -20000 V -30000 -1

У, Ь=0 1 . У, ь=п.

Ч/100

1 аобй

150

0

-30000 -60000 -90000 --120000 -

г, ь=о 1.

Ъ, 11=1 \ .

Рисунок 14 - Составляющие Х,У,Ъ постоянного магнитного поля вдоль нефтепровода при различной высоте магниточувствительного датчика: а. Ь=0 м; б. Ь=1 м. Шаг по профилю 1 м

3. В нормальном магнитном поле ¿-составляющая, как и следовало ожидать, практически не зависит от ориентации антенны. Минимальное и максимальное значения магнитной индукции для X и У составляющих соответствует их ориентации на магнитный север (юг), причем при погрешности ориентации 3° около положения точки максимума и минимума погрешность в величине магнитной индукции не превышает 0,30 мкТл. Даже существенная погрешность в ориентации магнитной антенны (на север -вдоль трубопровода) не приводит к большой погрешности измерений (более 1,5 мкТл) X и У-составляющих.

4. При пересечении трубопровода составляющая Ъ (вертикальная) магнитного поля переходит через максимум, который смещен относительно проекции оси трубопровода на земную поверхность в соответствии с направлением намагничения магнитным полем Земли, составляющая У (перпендикулярная

трубопроводу) переходит через О, а составляющая X (параллельная трубопроводу) практически не изменяется.

5. Максимальное отрицательное значение вертикальной составляющей Ъ магнитного поля в районе трубопровода достигает -120 ООО нТл, т.е. в два раза превышает значение Ъ в нормальном поле. Это свидетельствует о том, что остаточное магнитное поле, возникшее при охлаждении трубопровода ниже точки Кюри на трубном заводе, превышает по величине намагниченность, возникающую в поле Земли.

6. Напряженно-деформированные состояния трубопроводов проявляются в магнитном поле его составляющих в виде знакопеременной аномалии (рисунок 14).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи по повышению точности и информативности магнитометрического метода дистанционного контроля состояния подземных трубопроводов.

1. Обосновано применение многодетекторной магнитометрической системы, состоящей из трех феррозондов постоянного магнитного поля, расположенных ортогонально друг относительно друга, и трехкомпонентного акселерометра, которая позволяет измерять градиент взаимно перпендикулярных составляющих магнитного поля вдоль, поперек и перпендикулярно оси трубопровода, необходимый для исследования напряженных состояний и сварных швов подземного трубопровода.

2. Разработаны три типа магнитометров-градиентометров для исследования магнитных полей в лабораторных и полевых условиях.

3. Определены погрешности измерений магнитных полей стального трубопровода (влияние угла поворота и наклона магнитометрической системы, глубины залегания, девиации) и разработаны методы их уменьшения, основанные на введение поправочных коэффициентов в получаемые значения составляющих постоянного магнитного поля, позволяющие определять пространственное местоположение сварных швов и напряженных

участков линейной части трубопровода с точностью до 0,1 м.

4. Проведены экспериментальные исследования магнитная индукция физической модели трубопровода, представляющей собой сборку из постоянных магнитов, и доказана адекватность предложенной модели.

5. В результате математического моделирование составляющих магнитного поля трубопровода в среде А^УБ 13, получены графики магнитного поля от полых цилиндров конечной длины, имитирующих секцию трубопровода дефектами.

6. По результатам проведенных полевых исследований, определены формы аномалии постоянного магнитного поля трубопровода на магистральных трубопроводах Ухта - Торжок и Ухта - Вой-Вож.

По теме диссертации опубликованы в рекомендованных изданиях ВАК, следующие работы:

1. Крапивский, Е.И. Многодетекторная магнитометри-ческая градиентометрия дистанционного контроля напряженных состояний трубопроводов /Е.И. Крапивский, А.Н. Любчик// Горный Информационно-аналитический бюллетень, М.: МГГУ, -2014.- №3. -С. 259-263.

2. Крапивский, Е.И.. Математическое моделирование магнитного поля трубопровода с дефектами /Е.И. Крапивский, А.Н. Любчик// Горный Информационно-аналитический бюллетень, М.: МГГУ, -2014, -№3. -С. 256-259.

3. Любчик, А.Н. Современные магнитные методы контроля и прогноза технического состояния инженерных сооружений// Записки Горного Института. -2010. -Том 186. -С. 124-128.

4. Крапивский, Е.И. Прогнозирование технического состояния магистральных трубопроводов на основе анализа аварийных ситуаций /Е.И. Крапивский, О.М. Большунова, А.Н. Любчик// Записки Горного Института. -2011,- Том 192. -С. 153-157.

РИД Горного университета. 24.04.2014. 3.351. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

г</ г?п 1 /. ¿.ппг 1

На правах рукописи

ЛЮБЧИК АННА НИКОЛАЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ 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 доктор геолого-минералогических наук,

профессор Е.И. Крапивский

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ -2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

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 Феррозондозый магнитометр - градиентометр Р1реМаО................................28

2.2 Описание программы «НВ ТЕСЛА 0204.5а у1.0» 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 АЫ8У8................................................................................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

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

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.

В области дистанционного контроля необходимо отметить работы ученых и специалистов: Р.В. Агиней, Ю.В. Александров, В.Т. Власов, С.С. Гуськов,

A.A. Дубов, Р.В. Загидуллин, В.В. Клюев, A.A. Коршак, Е.И. Крапивский,

B.Г. Кулеев, Г.В. Ломаев, В.В. Лопатин, И.Л. Максимов, М.И. Михеев, В.Ф. Мужицкий, ~3.0. Некучаев, М.Б. Ригмант, В.В. Семенов, С.С. Субботин, Ф.Г. Тухбатулин, Я.С. Шур, В.Е. Щербинин и многие другие. Однако в большинстве предшествующих работ повышению достоверности определения местоположения сварных швов и напряженных состояния 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:

1. Проведен анализ существующих дистанционных методов состояния магистральных трубопроводов и приборов для их осуществления. Дана оценка эффективности их применения для подземных магистральных трубопроводов;

2. Разработана методика 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;

3. На основании полученных в лабораторных и полевых условиях исследовании магнитных полей трубопроводов и теоретических исследований проведена модернизация магнитометрической аппаратуры для контроля местоположения напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода;

4. Разработаны три типа магнитометров градиентометров для исследования магнитных полей трубопроводов;

5. Проведены расчеты аномальных магнитных полей стального трубопровода в среде ANS YS 13;

Научная новизна работы:

1. 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;

t

2. Получены новые зависимости взаимно ортогональных составляющих вектора напряженности постоянного магнитного поля от местоположения сварных швов и напряженного состояния линейной части подземного трубопровода.

3. 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

3

аномалии 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 ANS YS 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:

1. Создан аппаратурно-методический комплекс, включающий: три магнитометра разработанных по ТЗ научного руководителя и автора работы, устройство намагничивания, устройство размагничивания, трубу с дефектами.

2. Экспериментально доказана адекватность использования математической модели горизонтального кругового цилиндра для расчета магнитного поля трубопровода конечной длины.

3. 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), 2008-2010гг.); 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)), 20082009гг.); 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.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ МАГНИТНЫМИ

МЕТОДАМИ

В представленной главе проведен аналитический обзор работ, направленных на изучение постоянного магнитного поля трубопроводов с целью дистанционной диагностики его технического состояния, таких авторов, как:

B.Г. Кулеев, М.Б. Ригмант, A.A. Дубов, В.В. Лопатин, Р.В. Агиней, Я.С. Шур, Р.В. Загидуллин, В.Ф. Мужицкий, К.Ф. Ott, В.Т. Власов, В.Е. Щербинин,

C. Такадзуми, Е.С. Боровик, C.B. Вонсовский, И.Л. Максимов, В.В. Филлипов, Г.В. Ломаев.

1.1 Использование анизотропии магнитных свойств металла трубопровода

для оценки его напряженных состояний

С 50-х годов прошлого века, в России, развивается метод контроля ферромагнитных изделий по коэрцитивной силе металла [1], который основан на измерении коэрцитивной силы - Не (рисунок 1.2) металла в точке контроля. Для его реализации разработан целый ряд приборов - коэрцитиметров. Принцип работы таких приборов состоит в исполнении следующей последовательности операций:

а. намагничивание контролируемого участка детали накладным преобразователем;

б. последующее размагничивание этого участка нарастающим полем;

в. фиксации напряженности поля, соответствующей коэрцитивной силе (это делается в процессе выполнения п. "б").

Все современные приборы снабжены встроенными микропроцессорами, обеспечивающими автоматический контроль по заданной программе с

обработкой результатов контроля. Измерение коэрцитивной силы материала изделий, как правило, находится в диапазоне от 150 до 6000 А/м.

К настоящему моменту опубликованы десятки работ по этому направлению [2-9]. В последние годы это направление применительно к надземным трубопроводам интенсивно развивается в работах СеверНИПИгаз - Ухта (филиал ВНИИГАЗ). Наиболее полно методика контроля надземных трубопроводов изложена в монографии «Ресурс надземных трубопроводов» [10]. В этой же работе приведена библиография по этому вопросу. В коэрцитометрическом методе фиксируется момент намагничивания трубопровода, когда магнитная индукция (или намагниченность) равна нулю. Определение корреляционной связи коэрцитивной силы с напряженными состояниями трубопровода является сложной задачей. В общем случае на коэрцитивную силу, измеряемую в локальной точке контроля газонефтепровода, по мнению разработчиков метода [10], влияют:

1. Конструктивные особенности трубопровода (меняются в значительных пределах):

- диаметр труб (отклонение от номинала может достигать - 2мм, т.е. до 2%);

- толщина стенки труб (отклонение от номинала может достигать ±2мм);

- овальность (отклонение от номинала может достигать 1%);

- марка стали труб (исследований недостаточно);

- наличие антикоррозионного или виброшумового покрытия;

- давление в трубопроводе;

- температура транспортируемого продукта.

2. Структурное состояние металла трубы (меняется по поверхности одной трубы), которое может быть обусловлено различными неоднородностями:

- заложенными в процессе изготовления трубы (зоны обезуглероживания, закалочные структуры в виде сварных швов и т.д.);

- приобретенными в процессе эксплуатации труб вследствие электрохимического воздействия грунта, напряженного состояния и др.

и

Кроме того, стенка трубы имеет двуосное сложнонапряженное состояние, влияющее на коэрцитивную силу.

Часть этих проблем решена авторами работы [2-4, 10-11]. К ним относятся: уст�