автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Разработка магнитных методов и средств контроля магистральных газопроводов

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

ПРОБЛЕМА КОНТРОЛЯ НАДЕЖНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

1.1. Общие сведения о состоянии труб МГ

1.2. Существующие методы контроля состояния труб МГ

1.3. Магнитные методы контроля МГ

1.4. Преобразователи полей дефектов

В условиях современного рыночного производства качество, надежность и долговечность работы продукции играет решающую роль для успешной деятельности предприятий. Это касается в первую очередь газовой отрасли страны. В настоящее время только на Россию приходится 150 тысяч километров действующих магистральных газопроводов (МГ) с преобладанием труб большого диаметра (1020, 1220 и 1420мм) и высокого рабочего давления газа (5,0 - 7,5 МПа), а также десятки тысяч всякого рода продуктопроводов (ПП). Поэтому безаварийная работа МГ и ПП есть одно из основных требований предъявляемых в газовой и нефтяной отраслях к трубопроводам, а контроль состояния труб МГ и ПП становится все более актуальным в связи с увеличением протяженности трубопроводного транспорта и его старением (значительная часть МГ и ПП в нашей стране и в странах бывшего СССР находятся в эксплуатации до 20 лет и более) [1].

В частности, выход из строя МГ из-за аварийного отказа может привести к нарушению не только нормальной работы предприятия, но и отдельных экономических районов в связи с перебоями подачи газа. Каждый аварийный отказ на МГ приводит к большому материальному ущербу (который иногда даже трудно подсчитать), а порой и к человеческим жертвам. Так, в Уфимской катастрофе (3 июня 1989 года) из-за разрыва трубопровода заживо сгорели сотни людей в двух проходящих в это время и в этом месте пассажирских поездах. Поэтому контроль состояния труб МГ, уложенных в грунт, является первоочередной задачей в эксплуатации.

Среди всех существующих методов сплошного контроля состояния труб МГ наиболее предпочтительным является неразрушающий метод диагностики. Основой неразрушающего метода контроля является внутритрубная дефектоскопия. Осуществление такого контроля состояния труб трубопроводов, уложенных глубоко в грунт, является довольно сложной научной и технической проблемой [2-8].

Первые попытки для решения этой проблемы были предприняты в 1956 году за рубежом, а первые попытки разработки внутритрубных дефектоскопов для контроля состояния труб МГ и ПП были сделаны в СССР в 1966 году в Институте физики металлов УрО АН СССР. Первые успехи в создании внутритрубных дефектоскопов были достигнуты в 1966 году фирмой АМР ТиЬоэсоре созданием аппаратов «Лайналог» разных типов [9-10].

В этих аппаратах труба МГ намагничивается в направлении ее оси мощным электромагнитом, цилиндрический сплошной сердечник которого несет на себе обмотку, для питания электромагнита необходимо иметь дополнительную энергетическую секцию, целиком заполненную серебрянно-цинковыми аккумуляторами.

Такая двух- или трехсекционная система дефектоскопов «Лайналог» наряду с положительными сторонами имеет ряд отрицательных: сложность системы, ее огромный вес и дороговизна. Естественно возникло желание не только уменьшить количество секций дефектоскопа до одной, но и облегчить его вес путем замены электромагнита системой постоянных магнитов, тем более, что производство мощных постоянных магнитов у нас в стране находится на высоком техническом уровне.

Цель настоящей работы - создание комплекса технических средств для контроля состояния труб МГ (на предмет выявления и определения дефектов в ее стенках). В частности, поршень очистной (ОП), поршень магнитный очистной (МОП), снаряд-профилемер (ПРТ) и магнитный снаряд-дефектоскоп продольного намагничивания (ДМТ).

Для решения этой задачи необходимо было выполнить следующие работы в научном и техническом плане:

• определить оптимальные параметры намагничивающей системы дефектоскопа;

• провести анализ сигналов первичных преобразователей различных типов и сравнение выявляемости дефектов по тангенциальной и нормальной составляющей их полей рассеяния;

• разработать аппаратуру предварительной регистрации (записи) и обработки информации сигналов преобразователей полей дефектов;

• разработать герметичную компоновку поисковой системы дефектоскопа и несущих металлоконструкций поисковой секции;

• провести опытно-промышленную эксплуатацию разработанных средств дефектоскопии на действующих МГ отрасли.

Для выполнения огромного объема работы необходим не только новый научный подход, поиск новых решений и масса новых исследований с применением современных методов физического металловедения, но и колоссальный объем технических решений и разработок по компоновке узлов и компактному размещению датчиков и несущих металло-конструкций поисковой секции (магнитный снаряд-дефектоскоп продольного намагничивания).

Научная и практическая новизна настоящей работы и ее ценность заключаются в том, что впервые в международной практике были определены оптимальные параметры намагничивающей системы на базе мощных постоянных магнитов при оптимальном намагничивании трубы МГ с целью выявления встречающихся повреждений производственно-технологического характера и различных дефектов, вызванных коррозионными процессами и условиями эксплуатации линейной части МГ. Отработаны датчики для регистрации полей дефектов, проведен анализ сигналов и корреляция их с обнаруженными и известными из практики дефектами и повреждениями стенки трубы МГ. Разработаны узлы и создан новый тип дефектоскопа на базе постоянных магнитов. Проведены полевые испытания данного дефектоскопа на действующих МГ, которые дали положительный результат решения всех вышеперечисленных вопросов. На базе разработанного внутритрубного дефектоскопа созданы типовые магнитные снаряды-дефектоскопы продольного намагничивания для разных диаметров труб МГ (1020, 1220 и1420 мм).

Следует отметить две стороны практического результата выполненной работы: если для обслуживания внутритрубного дефектоскопа типа «Лайналог» необходима бригада сотрудников до 9 человек, то для обслуживания дефектоскопа типа ДМТ необходимо в 2-3 раза меньше, в зависимости от выполняемого объема и типа работы, при том же конечном результате; только за 2000 год были обследованы участки газопроводов: «Тюментрансгаза», «Пермтрансгаза», «Волготрансгаза», «Мострансгаза», «Севергазпрома», «Лентрансгаза», «Сургутгазпрома», «Волгоградтрансгаза», «Татартрансгаза», «Уралтрансгаза». Всего по предприятиям ОАО «Газпрома» обследовано в 2000 году с использованием очистных средств ОП и МОП и инспекционных снарядов типа ДМТ собственной разработки и изготовления, в которых реализованы современные достижения системотехники, регистрации и обработки данных - 9265,5 км МГ и выявлено 16295 дефектных труб, что составляет 17,5% всех обследованных труб МГ

Всего же по ОАО «Газпром» за период с 1995 по 2000 год включительно было обследовано 29000 км МГ.

Апробация работы. Результаты настоящей работы докладывались, обсуждались и использованы: на научных семинарах Института физики металлов УрО АН СССР и РАН России; на семинарах Свердловского комплексного научно-исследовательского отдела ВНИИГАЗа; на научно-технических семинарах ВНИИГАЗа (г. Москва); на научно-технических совещаниях РАО «Газпром» (г.Москва); на научно-технических совещаниях ЗАО НПО «Спектр» (г. Екатеринбург); на научно-технических совещаниях и семинарах ЗАО ПО «Спецнефтегаз» (г. Москва); на 8-й международной деловой встрече «Диагностика-98», Москва, «Диагностика линейной части магистральных трубопроводов», 1998; на Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика», Москва, 1999 год; а также на ряде деловых встреч в государствах СНГ и за рубежом: Чехия, Словакия, Польша, Болгария.

По теме диссертационной работы опубликованы следующие научные работы:

Алексеев А.Г., Зенин Е.И., Ковязин Ю.А., Патраманский Б.В., Халилеев П.А. Расширение области постоянных магнитных полей, измеряемых феррозондовыми датчиками импедансивного типа. -Дифектоскопия, 1982, №12, с.71-75.

Зенин Е.И., Алексеев А.Г., Ковязин Ю.А., Патраманский Б.В., Халилеев П.А. Индукционные преобразователи магнитных полей дефектов сплошности с большой шириной полосы контроля. -Дефектоскопия, 1980, №5, с. 40-48.

Алексеев А.Г., Григорьев П.А., Патраманский Б.В., Халилеев П.А. Поисковая система дефектоскопа для контроля трубопроводов. -Газовая промышленность, 1985, с. 20-21.

Халилеев П.А., Патраманский Б.В., Зенин Е.И., Лоскутов В.Е. и др. Дефектоскоп для контроля трубопроводов. -Авторское свидетельство СССР, №1222036, Бюллетень изобретений, 1986, №12.

Халилеев П.А., Патраманский Б.В., Лоскутов В.Е., Зенин Е.И., Корзунин Г.С. О современном состоянии контроля надежности магистральных трубопроводов. -Дефектоскопия, 2000, №1, с. 3-17.

Халилеев П.А., Патраманский Б.В., Лоскутов В.Е., Корзунин Г.С., Щербинин В.Е. Выявляемость дефектов в трубопроводах из различных марок стали в зависимости от их конфигурации. -Дефектоскопия, 2000, №8, с. 22-33.

Канайкин В.А., Мирошниченко Б.И., Патраманский Б.В. Труды 8-й международной деловой встречи «Диагностика-98», 1998, Москва, т.2: «Диагностика линейной части магистральных трубопроводов». Доклад: «Итоги работ по внутритрубной диагностике объединения «Спецнефтегаз», с.224-237.

Канайкин В.А., Чабуркин В.Ф., Патраманский Б.В. Доклад: «Проблема и перспектива повышения эффективности внутритрубной диагностики». -Российская научно-техническая конференция. «Неразрушающий контроль и диагностика», Москва, 1999.

Структура настоящей работы. Введение, в нем изложены обоснование, актуальность, цель, затронуты вопросы и проблемы для исследования и их практическая реализация, научная новизна, технические решения, практические результаты, апробация настоящей работы и основные научные работы по диссертации. Первая глава затрагивает общие сведения о состоянии труб МГ,. Существующие методы контроля состояния МГ, особенности внутритрубной дефектоскопии и постановку задачи. Вторая глава дает основные принципы магнитной дефектоскопии труб действующих МГ, зависимость выявляемости дефектов от марок трубных сталей, применяемых на МГ, выявляемость дефектов различной конфигурации, их классификации и расшифровки записей сигналов от первичных преобразователей. В третьей главе говорится о создании поисковой системы дефектоскопа и стендовых испытаниях. В четвертой главе дается разработка компоновки поисковой системы дефектоскопа и несущих металлоконструкций поисковой секции. В пятой главе изложены вопросы испытаний дефектоскопа, опытно-промышленная эксплуатация комплекса технических средств диагностики состояния труб МГ, современное состояние по созданию дефектоскопов, надежность диагностики. Заключение. Выводы. Приложение (расчеты, акты испытаний и др.).

Положительный результат решения вышеперечисленных вопросов выносится на защиту диссертации «Разработка магнитных методов и средств контроля труб магистральных газопроводов».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Рассмотрена проблема необходимости контроля состояния труб МГ уложенных в грунт и проведен анализ известных методов и средств дефектоскопии нарушения сплошности металла. Которые позволили выбрать в пути решения диагностики состояния труб МГ и обосновать выбор магнитного метода как наиболее пригодного для данного случая.

2. Исследование зависимости выявляемости дефектов от марок сталей, применяемых для изготовления труб МГ, и выявляемость дефектов различной конфигурации позволили провести классификацию дефектов и их идентификацию при расшифровке записей сигналов первичных преобразователей.

3. Проведены расчеты намагничивающей системы дефектоскопа цилиндрического типа для труб различного диаметра при использовании намагничивающих элементов из различных материалов и определены оптимальные параметры намагничивающей системы.

4. Проведен анализ сигналов различных преобразователей и сравнение выявляемости дефектов по тангенциальной и нормальной компонентам их полей, а также разработаны импедансные преобразователи для измерения тангенциальных компонент полей дефектов.

5. Создана аппаратура предварительной обработки информации (АПОИ) сигналов преобразователей полей дефектов, обеспечивающая надежную работу регистратора.

6. Разработана компоновка поисковой системы дефектоскопа и несущих металлоконструкций поисковой секции. Рассмотрены варианты возможных компоновок поисковой секции, а также показаны недостатки многоэлементной и преимущества цилиндрической компоновки поисковой секции.

7. Разработаны полиуретановые кассеты (ласты) для датчиков, обеспечившие надежное выявление полей дефектов.

8. Проведены испытания комплекса дефектоскопии на действующих участках МГ. Сопоставлен характер выявленных дефектоскопом дефектов, выявленных при вскрытии труб шурфовкой.

9. Опытно-промышленная эксплуатация комплекса дефектоскопии дала богатый материал и обеспечила наработку данных для разработки более совершенных снарядов-дефектоскопов и более совершенную систему обработки результатов измерения полей рассеяния от дефектов на трубах и их идентификацию.

10. Качественно новые разработки и создание нового поколения снарядов-дефектоскопов существенно повысили надежность средств дефектоскопии и вывели диагностику состояния труб МГ в отрасли на самые передовые мировые позиции.

1. Канайкин В.А., Матвиенко А.Ф. Разрушение труб магистральных газопроводов. Екатеринбург, «Банк культурной информации», 1999, 190с.

2. Алексеев А.Г., Зенин Е.И., Ковязин Ю.А., Патраманский Б.В., Халилеев П.А. Расширение области постоянных магнитных полей, измеряемых феррозондовыми датчиками импедансного типа. -Дефектоскопия, 1982, №12, с.71-75.

3. Зенин Е.И., Алексеев А.Г., Ковязин Ю.А., Патраманский Б.В., Халилеев П.А. Индукционные преобразователи магнитных полей дефектов сплошности с большой шириной полосы контроля. -Дефектоскопия, 1980, №5, с.40-48.

4. Алексеев А.Г., Григорьев П.А., Патраманский Б.В., Халилеев П.А. Поисковая система дефектоскопа для контроля трубопроводов. -Газовая промышленность, 1985, №1, с.20-21.

5. Халилеев П.А., Патраманский Б.В., Зенин Е.И., Лоскутов В.Е.Дефектоскоп для контроля трубопроводов. Авторское свидетельство СССР, №1222036, Бюллетень изобретений, 1986, №12.

6. Халилеев П.А., Патраманский Б.В., Зенин Е.И., Лоскутов В.Е., Корзунин Г.С. О современном состоянии контроля надежности магистральных трубопроводов. -Дефектоскопия, 2000, №1, с.3-17.

7. Халилеев П.А., Патраманский Б.В., Лоскутов В.Е., Корзунин Г.С., Щербинин В.Е. Выявляемость дефектов в трубопроводах из различных марок сталей в зависимости от их конфигурации. -Дефектоскопия, 2000, №8, с.20-33.

8. Канайкин В.А., Патраманский Б.В., Чабуркин В.Ф. Проблема и перспектива повышения эффективности внутритрубной диагностики. -Российская научно техническая конференция. «Неразрушающий контроль и диагностика», Москва, 1999.

9. Cooley E.H. Detecting corrosion on wall casing. Патент США, №2770773 от 13.11.1956г.

10. Crouch A.E., Beaver R.C. Pipeline inspection apparaturs for detection of longitudinal defects. Патент США, №3483466 от 09.12.1969г.

11. New sonic device detects line leaks. -Oil and Gas Journ, 1967,65, №16, p. 117.

12. Riemsdyk Van A.I., Bosselaar H. On stream detection of small leaks in crude oil pipelines. The Proc. of Seventh World Petrol. Congr. 1967, p.239.

13. Лапшин Б.M., Николаева Е.Д. Влияние размера сквозного дефекта на акустическое излучение при истечении жидкости в жидкость из отверстия толстой стенки трубопровода. Дефектоскопия, 1990, №11, с.69-75.

14. Буденков Г.А., Недзвецкая О.В., Булатова Е.Г. Технические возможности бесконтактного акустического метода течеискания. -Дефектоскопия, 1996, №12, с.48-53.

15. Патент США №3064127, 13.09.1965.

16. Патент США №3191713, 29.06.1965.

17. Белов Е.М., Лобанов В.П. Поиск стресс коррозионных дефектов с использованием прибора позволяющего выявить их без вскрытия трубопроводов. Отчет по договору №2/95 между РАО «Газпром» и ТОО фирмой «РЭГ», ВНИИГАЗ, 1995, 20с.

18. Бурцев Г.А. К теории многоэлементных феррозондов. -Дефектоскопия, 1965, №4, с.28-32.

19. Стоинская Э.Э., Штуркин Д.А. Температурная зависимость чувствительности феррозондов с продольным возбуждением. -Дефектоскопия, 1967, №2, с.45-49.

20. Пономарев Ю.Ф., Фридман Л.А. К расчету выходного напряжения дифференциальных феррозондов с продольным возбуждением. -Дефектоскопия, 1967, №3, с. 85-87.

21. Зацепин H.H., Халилеев П.А., Щербинин В.Е. Контроль изделий на нарушение сплошности по тангенциальной составляющей поля дефекта с помощью феррозондов полемеров. -Дефектоскопия, 1969, №5, с. 153-154.

22. Фридман Л.А., Табачник В.П., Чернов Г.С. Особенности работы феррозондов с малой проницаемостью формы сердечников при малых полях возбуждения. -Дефектоскопия, 1971, №5, с. 11-20.

23. Пономарев Ю.Ф. О зависимости коэффициента передачи дифференциальных феррозондов с продольным возбуждением от измеряемого поля. -Дефектоскопия, 1972, №2, с.50-62.

24. Халилеев П.А. Феррозондовые датчики импедансного типа для магнитной дефектоскопии. -Дефектоскопия, 1976, №1, с.70-71.

25. Зацепин H.H., Щербинин В.Е., Пашагин А.И. Исследование магнитного поля дефекта на внутренней поверхности ферромагнитной трубы. 1. Основные закономерности и механизм формирования поля дефекта. -Дефектоскопия, 1969, №2, с.8-16.

26. Зацепин H.H., Щербинин В.Е., Пашагин А.И. Исследование магнитного поля дефекта на внутренней поверхности ферромагнитной трубы. 2. Сопоставление топографии внутреннего и наружного дефекта. -Дефектоскопия, 1969, №2, с.16-20.

27. Зацепин H.H., Щербинин В.Е., Пашагин А.И. Исследование магнитных полей рассеяния от локально наклепанных участков изделия. -Дефектоскопия, 1971, №1, с.86-96.

28. Щербинин В.Е., Пашагин А.И. Влияние протяженности дефекта на величину его магнитного поля. -Дефектоскопия, 1972, №4, с.74-82.

29. Щербинин В.Е., Пашагин А.И.О поляризации трещины при неоднородном намагничивании изделия. -Дефектоскопия, 1974, №3, с. 17-23.

30. Щербинин В.Е., Пашагин А.И. Влияние границ изделия на величину поля дефекта. -Дефектоскопия, 1976, №2, с.85-89.

31. Шур Л.M., Щербинин В.Е. Магнитостатическое поле дефекта, расположенного в плоскопараллельной пластине. -Дефектоскопия, 1977, №, с.92-96.

32. Зб.Пашагин А.И., Щербинин В.Е. Гармонический состав магнитного поля дефекта типа нарушения сплошности при высокочастотном намагничивании изделий. -Дефектоскопия, 1979, №6, с.29-33.

33. Щербинин В.Е. Феррозондовый и магнитографический методы выявления дефектов сплошности и измерения толщины. -Докт. дис., Свердловск: ИФМ АН СССР, 1980.

34. Stumm W. Zersturungsfrei Werkstoffprüfung mit dem magnetschten Streuflussvefahren/-Konstrukteuer, 1974. B5, №8, s.40-44.

35. Forster F. New results of NDT by the magnetic leakage field method. -NDT, 1974,4, p.254-259.

36. Кадочников А.И., Халилеев П.А., Зенин Е.И. Вихревые токи как мешающий фактор в магнитной дефектоскопии магистральных газопроводов. -дефектоскопия, 1986, №2, с.59-73.