автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Создание автоматизированного сканера-дефектоскопа для вихретокового контроля стального трубопровода

УДК 620.179.14

На правах рукописи

Коннов Алексей Владимирович

СОЗДАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СКАНЕРА-ДЕФЕКТОСКОПА ДЛЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ 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

5 ДЕК¿ШЗ

Москва 2013

005541788

005541788

Работа выполнена в ЗАО НПЦ «Молния», г. Москва

Научный руководитель Доктор технических наук

Загидулин Ринат Васикович

Официальные оппоненты Доктор технических наук

Ефимов Алексей Геннадьевич

Кандидат технических наук, доцент Терехин Иван Владимирович

Ведущая организация

ООО «НПЦ ЭХО+», г. Москва

Защита состоится 25 декабря 2013 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д.520.010.01 при ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» по адресу: г. Москва, ул. Усачева, д. 35, строение 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, * --- Н.Р. Кузелёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводных систем является одной из важных задач современной технической диагностики. Для ее решения применяются технологии дистанционного, внутритрубного и наружного контроля стальных трубопроводов различного назначения (газопроводы, нефтепроводы, нефтепродуктопроводы, технологические трубопроводы и т.д.).

При внутритрубной диагностике широко используются магнитные сканеры, ультразвуковые дефектоскопы-снаряды и их комбинации, электромагнитно-акустические сканеры, обеспечивающие эффективное выявление дефектов сплошности на внутренней поверхности и в теле стального трубопровода.

Это позволяет своевременно выявлять накопленные повреждения, оценивать фактическое техническое состояние стальных трубопроводов, расчетным способом оценивать их остаточный ресурс, назначить состав, объемы и сроки ремонтных работ и реконструкции поврежденных участков стальных трубопроводов.

Изучение характера выявленных дефектов стальных трубопроводов показывает, что наиболее опасными являются дефекты сплошности металла, возникающие в зонах концентрации механических напряжений и быстро развивающиеся стресс-коррозионные трещины. Характерной особенностью стресс-коррозионных трещин является их расположение колониями, при этом преимущественная ориентация этих трещин направлена вдоль оси стальной трубы. Не менее опасны, с точки зрения возникновения утечек газа, дефекты сплошности металла типа коррозии — язвы и вмятины.

Опыт технической диагностики показывает, что для эффективного осуществления выборочного ремонта и реконструкция отдельных участков стальных трубопроводов оказывается недостаточным объем и качество диагностической информации, получаемой техническими средствами дистанционного и внутритрубного контроля из-за их невысокой чувствительности к дефектам наружной поверхности стальной трубы и стресс-коррозионным трещинам металла.

Наиболее надежная и достоверная диагностическая информация о состоянии стального трубопровода получается при их контроле техническими средствами наружного контроля, при этом наибольшей эффективностью контроля обладают сканеры-дефектоскопы, которые позволяют проводить автоматизированный контроль поверхности открытых стальных трубопроводов без вмешательства оператора.

Осуществление измерения, математической обработки, визуального представления и документирования результатов контроля стального трубопровода в режиме реального времени, позволяют успешно применять автоматизированные сканеры-дефектоскопы в составе ремонтных колонн, осуществляющих ремонт и замену устаревшего защитного изоляционного покрытия (переизоляции) стального трубопровода.

Несмотря на наличие более высоких технических характеристик (по сравнению с внутритрубными дефектоскопами), существующие магнитные и ультразвуковые сканеры-дефектоскопы имеют существенные недостатки, ограничивающие их широкое применение: затруднено выявление стресс-коррозионных трещин в металле с глубинами менее 10% толщины стенки стального трубопровода; не всегда удается распознать и количественно оценить геометрические параметры близко расположенных дефектов (группа дефектов сплошности); сложно установить тип дефекта сплошности и т.д.

Данные проблемы могут быть успешно решены при использовании электромагнитных (вихретоковых) методов контроля материалов и стальных изделий, которые обладают наибольшей чувствительностью к поверхностным дефектам сплошности металла, в том числе, к стресс-коррозионным трещинам в стальной трубе и дефектам сварного шва и околошовной зоны стальной трубы.

Результаты предварительных исследований показывают перспективность создания электромагнитных (вихретоковых) сканеров-дефектоскопов для автоматизированного контроля качества стальных трубопроводов с наружной поверхности.

В связи с этим создание автоматизированного сканера-дефектоскопа для вихретокового контроля стального трубопровода с наружной поверхности трубы является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы - создание автоматизированного сканера-дефектоскопа для вихретокового контроля стального трубопровода.

Основные задачи работы

1. Анализ и обобщение современного состояния решения проблемы технической диагностики стальных трубопроводов различного назначения техническими средствами неразрушающего контроля.

2. Теоретические и экспериментальные исследования зависимости информативных параметров сигнала дифференциального вихретокового преобразователя (ВТП) от геометрических параметров дефектов сплошности типа трещин и коррозии металла в стальной трубе. Определение наиболее информативных признаков классификации дефектов сплошности в стальной трубе.

3. Разработка методов цифровой обработки измеренного сигнала дифференциального ВТП для повышения выявляемости дефектов сплошности типа трещин и коррозии металла в стальной трубе, в сварном шве и околошовной зоне трубы.

4. Создание методики распознавания типа и оценки геометрических параметров дефектов сплошности типа трещин и коррозии металла в стальной трубе, в сварном шве и околошовной зоне трубы.

5. Разработка автоматизированного сканера-дефектоскопа для вихретокового контроля стального трубопровода с наружной поверхности трубы.

Методы решения поставленных задач

Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований сигнала дифференциального ВТП от геометрических параметров дефектов сплошности типа трещин и коррозии металла в стальной трубе, в сварном шве и околошовной зоне стальной трубы.

При проведении исследований применялись магнитные и электромагнитные (вихретоковые) методы неразрушающего контроля материалов и стальных изделий, основы теории электродинамики твердых тел, теории распознавания образов, теории вероятности и численных методов математики.

Научная новизна

1. Установлена возможность надежной классификации дефектов сплошности в стальной трубе по величине фазы и полярности сигнала дифференциального ВТП на две группы: «Трещина», «Коррозия металла».

2. Разработана методика поиска оптимальных параметров вейвлетного преобразования сигнала дифференциального ВТП, позволяющая значительно повысить выявляемость дефектов сплошности типа трещин и коррозии металла в стальной трубе.

3. Разработана методика исключения мешающего влияния сварного шва стальной трубы на сигнал дифференциального ВТП, основанная на разности относительных коэффициентов вейвлетного преобразования.

Предложен способ восстановления формы сигнала дифференциального ВТП над дефектом сварного шва стальной трубы на основе обратного вейвлетного преобразования относительных коэффициентов.

4. Установлена совокупность наиболее информативных признаков классификации дефекта сплошности на основе сигнала дифференциального ВТП и их оптимальное количество для оценки глубины трещины и коррозии металла в стальной трубе с приемлемой для практики точностью.

5. Предложен многопараметровый способ оценки геометрических параметров дефектов сплошности типа трещин и коррозии металла в стальной трубе, в сварном шве и околошовной зоне трубы, обладающий высокой достоверностью результатов.

На защиту выносятся результаты научных исследований по созданию автоматизированного сканера-дефектоскопа для вихретокового контроля стального трубопровода, на основе применения наиболее информативных признаков классификации дефектов сплошности типа трещин и коррозии металла в стальной трубе.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Предложенные методы поиска оптимальных параметров вейвлетного преобразования сигнала дифференциального ВТП позволяют повысить достоверность электромагнитного контроля стальных труб за счет значительного повышения соотношения сигнал/шум в сигнале дифференциального ВТП над трещиной минимальной глубины.

Разработанная методика исключения мешающего влияния сварного шва стальной трубы на сигнал дифференциального ВТП позволяет надежно выявлять и распознавать дефекты сплошности в сварном шве и околошовной зоне стальной трубы.

По результатам научных исследований создан автоматизированный сканер-дефектоскоп АСД «Вихрь» для вихретокового контроля стального трубопровода с наружной поверхности трубы, который прошел успешные стендовые испытания в ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 16 Международной деловой встрече «Диагностика-2006» (г. Сочи, 17-21 апреля 2006 г.); 3 Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007 г.); 6 Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2007 г.); Международной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании» (г. Уфа, 14-18 октября 2012 г.); 6 Международной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании» (г. Уфа, 9-13 октября 2013 г.); Совещании главных инженеров в РАО «Газпром» (г. Москва, 12 мая 2013 г.); Международной научно-технической конференции «Достижения физики неразрушающего контроля» (Республика Беларусь, г. Минск, 15 октября 2013 г.).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 13 работах.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 126 наименований, 3 приложения. Она содержит 145 страниц машинописного текста, 16 таблиц и 35 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследования, отражена научная новизна, изложены сведения об апробации и показана практическая ценность работы.

В первой главе выполнен анализ современного состояния решения проблемы технической диагностики стальных трубопроводов различного назначения техническими средствами неразрушающего контроля (НК).

Отмечается существенный вклад в развитие электромагнитной дефектоскопии российских ученых - Клюева В.В., Зацепина H.H., Мужицкого В.Ф., Сапожникова А.Б., Герасимова В.Г., Сухорукова В.В., Федосенко Ю.К., Лунина В.П., Шатерникова В.Е., ШкатоваП.Н., Щербинина В.Е., Ефимова А .Г. и др.

Проведена всесторонняя оценка достоинств и недостатков существующих физических методов и технических средств НК, в том числе, автоматизированных сканеров - дефектоскопов, применяемых для осуществления технического диагностирования стальных трубопроводов.

Указано на перспективность и необходимость создания электромагнитных (вихретоковых) сканеров-дефектоскопов для автоматизированного контроля качества стальных трубопроводов.

Во второй главе приведены результаты анализа сигнала измерительных каналов параметрического дифференциального ВТП над трещинами и коррозионными повреждениями металла в стальной трубе, исследована возможность надежной оценки типа и геометрических параметров дефектов сплошности. Установлено, что амплитуды сигналов абсолютного, вещественного и мнимого измерительных каналов дифференциального ВТП однозначно зависят от глубины трещины в стальной трубе (рис. 1).

а) б)

Рис.1. Зависимость амплитуды сигналов абсолютного (а) и мнимого (б) каналов дифференциального ВТП от глубины трещины

При этом они весьма слабо зависят от ширины трещины в стальной трубе: разница между кривыми (рис.1), полученными при различной ширине трещин в металле, которые отличаются друг от друга более чем в 7.5 раз, не превышает 10% -15%.

Значения фазы ф сигналов дифференциального ВТП, измеренных над различными трещинами в стальной трубе, являются одинаковыми, при этом было установлено соотношение:

ср = 46,2° ± 12,5 %. (1)

а) б)

Рис.2. Распределение сигнала абсолютного канала дифференциального ВТП над трещинами (а) и точечными коррозиями металла (б) в стальной трубе

Распределения сигналов дифференциального ВТП, полученные над трещиной и коррозией металла в стальной трубе (рис. 2), имеют существенные различия, при этом:

- экстремумы сигналов дифференциального ВТП над дефектами сплошности типа трещины и коррозии металла в стальной трубе имеют противоположные полярности (у трещины полярность отрицательная, у коррозии - положительная);

- над коррозией металла в стальной трубе амплитуда сигнала вещественного канала дифференциального ВТП существенно превышает амплитуду сигнала мнимого канала;

- над трещиной в стальной трубе амплитуды сигналов вещественного и мнимого каналов дифференциального ВТП соизмеримы по величине.

По этой причине значения фазы сигналов дифференциального канала ВТП, измеренных над коррозией металла в стальной трубе, удовлетворяют равенству:

Ф = 5,3 0 ± 20 %. (2)

Из равенств (1)-(2) следует, что фаза и полярность сигнала дифференциального ВТП позволяют осуществить надежную классификацию дефектов сплошности стальной трубы на две группы: «Трещина», «Коррозия металла».

а) б)

Рис.3. Сигнал вещественного канала дифференциального ВТП над бездефектным (а) и дефектным (б) сварным швом стальной трубы

Распределение сигнала дифференциального ВТП над сварным швом стальной трубы имеет сложное распределение, при этом влияние сварного шва на сигнал ВТП существенно превышает влияние дефекта сплошности в валике усиления сварного шва (рис.3). Это связано с вариацией величины зазора между ВТП и металлом сварного шва, а также существенной разницей электромагнитных свойств металла околошовной зоны и основного металла стальной трубы.

Установлено, что спектры сигналов дифференциального ВТП, измеренных над дефектным и бездефектным участками стальной трубы, являются широкополосными. Поэтому подавление какой либо части спектра измеренного сигнала ВТП неизбежно приводит к искажению распределения сигнала над дефектом сплошности и к снижению его выявляемое™.

Показана эффективность вейвлетного преобразования сигналов ВТП над дефектами сплошности стальной трубы: в коэффициентах вейвлетного преобразования сигнала существенно снижается уровень случайных помех и увеличивается соотношение сигнал/шум (чувствительность дифференциального ВТП к трещине с минимальной глубиной возрастает на 45% - 50%) .

Однако применение вейвлетного преобразования для анализа и интерпретации сигнала дифференциального ВТП над сварным швом с дефектом сплошности стальной трубы не позволяет устранить мешающее влияние сварного шва на сигнал ВТП.

В третьей главе рассматриваются вопросы повышения эффективности вейвлетного преобразования сигналов дифференциального ВТП над дефектами сплошности в стальной трубе.

Оптимальные параметры вейвлетного преобразования сигнала ВТП на основе параметрических вейвлетных функций алгебраического типа обеспечивают эффективное подавление уровня случайных помех и удаление нелинейного тренда из сигнала, и надежное выявление дефектов сплошности в стальной трубе и в сварном шве.

Оптимальные значения параметров вейвлетного преобразования определяются методом наименьших квадратов, на основе минимизации следующего функционала:

где и(х;) - значения измеренного сигнала ВТП (] = 1,2, ... М), ит - амплитуда сигнала ВТП над дефектом сплошности стальной трубы, -вейвлетная функция алгебраического типа:

(3)

х. J

(4а)

.) а

+ тх

(46)

где г2 Ф 0 - параметры вейвлетной функции, |х| < со, ^(Хщ) - амплитудное значение вейвлетной функции.

На рис.4 показаны графики сигнала дифференциального ВТП, измеренного над естественной трещиной в стальной трубе, и соответствующей вейвлетной функции, определенной на основе минимизации функционала (3) - (4). Видно, что форма оптимальной вейвлетной функции весьма близка к форме сигнала дифференциального ВТП над трещиной в стальной трубе.

Установлено, что оптимальные параметры вейвлетного преобразования сигналов дифференциального ВТП над дефектами сплощности (трещины, коррозия металла) в стальной трубе являются уникальными для измерительных каналов ВТП, однако для сигналов мнимого и вещественного каналов дифференциального ВТП они примерно одинаковы.

а) б)

и,

ВДГО,

&0 X, ТОН

Рис.4. Сигнал абсолютного (а) и мнимого (б) каналов дифференциального ВТП над трещиной и онгамальные вейвлетные функции кривая_- сигнал ВТП,-----------вейвлетная функция.

Коэффициенты вейвлетного преобразования абсолютного канала ВТП и(х) определяются по формуле:

\\ги(а,ь) = 7 и (X) &, (5а)

коэффициенты вейвлетного преобразования сигнала дифференциального канала ВТП определяются по формуле:

™и (а,Ъ) = -^7 и.

1

где а - масштабирующий параметр, Ь - параметр сдвига, и. (х) = - гра-

i Дх

диент измеренного сигнала дифференциального ВТП.

Для подавления мешающего влияния сварного шва на измеренный сигнал дифференциального ВТП определяется разность относительных коэффициентов вейвлетного преобразования сигнала по формуле (для абсолютного канала):

А \Ш(а,Ь) = \Ш(а,Ь)/тиа,Ь) - WU(a0,b)/WUm(ao,b), (6) где ЖДа,Ь)ЛУига(а,Ь) - относительные коэффициенты, локализующие сварной шов с дефектом сплошности в измеренном сигнале ВТП, >Уи(ао,Ь)Л^т(ао,Ь) - относительные коэффициенты, локализующие лишь сварной шов в сигнале ВТП, \¥ит(а,Ь) - экстремумы коэффициентов вейвлетного преобразования.

Вычисление разности коэффициентов вейвлетного преобразования сигнала дифференциального ВТП (6) позволяет подавить влияние сварного шва стальной трубы и локализовать в нем месторасположение дефекта сплошности по наличию максимума в этом распределении. Показано, что в распределении разности коэффициентов вейвлетного преобразования сигнала ВТП повышается величина соотношения сигнал/шум, которая существенно превышает нормативный порог чувствительности, предъявляемый к электромагнитным дефектоскопам.

На основе обратного вейвлетного преобразования коэффициентов Д'\Уи(а,Ь) (6) по формулам обращения осуществляется восстановление значений сигнала дифференциального ВТП над дефектом сплошности металла, без влияния сварного шва стальной трубы.

Для сигнала абсолютного канала дифференциального ВТП обратное дискретное вейвлетное преобразование осуществляется по формуле:

и(хк)=МДЬ п2 ПЕ1 ьлу (х (7)

Чу j=li=l I 1 а>

где постоянная с„.=2к ^ , Щ - количество отсчетов для параметра

Ч- 4г2г1

сдвига, п2 - количество отсчетов для масштабирующего параметра, Да, ДЬ -шаг изменения масштабирующего параметра и параметра сдвига, соответственно.

На рис. 5 показан фрагмент сигнала вещественного канала дифференциального ВТП, измеренного над сварным швом стальной трубы с трещиной естественного происхождения глубиной, которая расположена в середине валика усиления сварного шва, и соответствующий восстановленный сигнал ВТП над дефектом сплошности.

х-Ь

(1х,

(56)

При прямом и обратном вейвлетном преобразовании осуществляется удовлетворительное восстановление значений и формы распределения измеренного сигнала дифференциального ВТП над дефектным сварным швом стальной трубы.

а) б)

НеШ(х),мВ/мм

Яе'Л^ХмЗ/мм

Т«Х,ММ "5ОТЭ60 ТэбЗ 1Э76 ТэЗа 1392 1-ЮО ММ

Рис.5. Сигнал вещественного канала дифференциального ВТП над дефектным сварным швом стальной трубы (а) и восстановленный сигнал над трещиной (б)

Показано, что на основе восстановленных значений сигналов дифференциального ВТП можно оценивать тип и геометрические параметры дефектов сплошности в сварном шве стальной трубы.

В четвертой главе исследуется информативность сигналов измерительных каналов дифференциального ВТП над дефектами сплошности в стальной трубе на основе вероятностного подхода.

Количество информации в признаках классификации дефекта сплошности определяется по формуле:

где Р(ф) - априорная вероятность ¡-го состояния дефекта сплошности в стальной трубе (¡ = 1,2,..., ш), £ - функция распределения признака классификации ¡-го состояния дефекта сплошности, а;, Ь, — интервалы изменения признака классификации для ¡-го состояния дефекта сплошности, функция

В качестве признаков классификации дефекта сплошности в стальной трубе использованы амплитудные значения сигналов дифференциального ВТП и коэффициентов их вейвлетного преобразования: Х]= иш, Х2 = 11еи1т, Х3 = 1ти,ш, Х4 = УШт, Х5 = ^еи1т, X« = \У1ти1т.

Расчетным путем (8) установлено, что увеличение количества совместных признаков классификации дефекта сплошности приводит к монотонному росту количества полезной информации о геометрических параметрах дефекта сплошности, при этом для оценки глубины трещины в стальной трубе с приемлемой для практики точностью достаточно применение не более 5-6 совместных признаков классификации (рис.6).

М (М),ехр.ед. 3.5

/

> у /

/

? А г

//А к

-е =10%

-20%

-5%

Рис.6. Зависимость количества информации о глубине дефекта сплошности в стальной трубе от количества совместных признаков классификации

Увеличение погрешности измерения сигнала ВТП приводит к уменьшению количества информации в признаках классификации о глубине трещины в стальной трубе, однако с увеличением количества совместных признаков классификации наблюдается более медленная потеря количества полезной информации при возрастании погрешности измерения сигнала ВТП.

Показана возможность предварительной оценки точности определения глубины трещины в стальной трубе на основе количества информации (8), которая содержится в измеренном сигнале дифференциального ВТП, по формуле:

ДЬ = Ьтехр [- М (х]|.

(9)

Результаты оценки точности глубины трещины по совместным признакам классификации, по формуле (9), приведены в таблице 1.

Из них следует, что при практических измерениях сигналов Точность оценки глубины трещины по

Таблица 1

Погрешность 1п«(Х,-Х4), АЬ, мм М(Х!-Х5), АЬ, мм

£,% экс. ед. экс. ед.

1 2 3 4 5

0 3,401 0,1 3,401 0,1

1 3,401 0,1 3,401 0,1

2 3,391 0,101 3,401 0,1

5 3,352 0,105 3,383 0,102

10 3,302 0,111 3,361 0,104

15 2,651 0,212 3,30 0,11

20 2,015 0,4 2,94 0,16

дифференциального ВТП с инструментальной погрешностью е = 15% - 20%, точность оценки глубины трещины в стальной трубе составляет ДЬ = 0,1 мм -

0,15 мм, которая достаточна для удовлетворительного решения задачи технической диагностики стальных трубопроводов.

Для определения геометрических параметров дефектов сплошности в стальной трубе предложена методика, основанная на минимизации сглаживающего функционала, состоящего из признаков классификации дефектов сплошности в стальной трубе (теоретической модели Хт ) и экспериментально измеренных параметров на основе сигнала ВТП Хэ:

М^р)=.1ок|о[хЭ(^)-Х^)]2+Гп(5), (10)

где Хк - к-ый признак классификации дефекта сплошности в стальной трубе (к = 0, 1,...т), ш - количество признаков классификации X, п - количество отсчетов в измеренном сигнале ВТП, у > 0 - параметр регуляризации, п (р) -стабилизирующий функционал, р - вектор геометрических параметров дефекта сплошности в стальной трубе.

Стабилизирующий функционал в формуле (10), состоящий из первых производных признаков классификации дефектов сплошности, описывается следующей формулой:

5х Эх

п т П Р = X I ]=0к=0

(И)

Значения компонент вектора геометрических параметров дефекта сплошности, которые соответствуют минимуму сглаживающего функционала (10), берутся в качестве оценок геометрических параметров реального дефекта сплошности в стальной трубе. В зависимости от класса дефекта сплошности в стальной трубе («Трещина» или «Коррозия металла») вектор геометрических параметров дефекта задается следующим образом: р = {ь, 2Ь, 2Ь}- трещина, р = {И, Б}- точечная коррозия металла, р = { 11,2Ь, 2а}-обширная коррозия металла,

где Ь - глубина, 2Ь - ширина дефекта сплошности, 2Ь - протяженность трещины, Б - диаметр точечной коррозии металла, 2а - протяженность области металла с обширной коррозией металла.

На основе проведенных исследований установлено, что наиболее точно оценивается глубина трещины в стальной трубе, наименее точно - ширина трещины, при этом точность оценки глубины трещины меняется от ДЬ = 0,1 мм (для дефектов малой глубины Ь < 1 мм) до ДЬ = 0,3 мм (для дефектов большой глубины Ь > 3 мм). Сопоставимые результаты были получены при оценке геометрических параметров моделей коррозионных повреждений металла (точечных и обширных) в образцах, изготовленных из трубной стали.

Для дальнейшего повышения точности оценки геометрических параметров дефектов сплошности в стальной трубе рекомендовано уменьшить инструментальную погрешность измерительных каналов дифференциального ВТП.

В пятой главе приводится описание устройства узлов, блоков и программного обеспечения автоматизированного сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь», предназначенного для вихретокового контроля стального трубопровода с наружной поверхности трубы (рис. 7).

Рис.7. Внешний вид сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь»

Рис.8. Структурная схема сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь»

Структурная схема сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» показана на рис.8 и включает следующие блоки:

- электронный блок (БЭ),

- измерительный блок ВТП (БВТП),

- бортовой промышленный компьютер (БК),

- телекоммуникационный блок (БТ),

- блок электрического привода АСД (БЭП),

- блок электрического питания (БП),

- персональный компьютер (ПК) с программным обеспечением.

Механизм перемещения сканера-дефектоскопа осуществляет непрерывное сканирование поверхности стального трубопровода в процессе вра-щательно-поступательного движения измерительных блоков ВТП, при котором траектория их движения представляет собой спиралевидную форму (рис. 9). Механизм перемещения обладает возможностью реверсивного движения (по команде оператора) без прерывания сканирования поверхности стального трубопровода.

Управление работой блоков и узлов сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» (рис. 8) осуществляется командами с бортового промышленного

Рис.9. Устройство механизма перемещения АСД «Вихрь», установленного на стальном трубопроводе

компьютера (БК), который обеспечивает:

- проверку технической исправности и режимов работы узлов и блоков;

- управление режимами работы сканера-дефектоскопа (БЭП, БЭ, БВТП, БТ), установление настроечных параметров функциональных блоков;

- получение измеренной информации с измерительного блока ВТП (БВТП), их предварительную обработку и форматирование;

- передачу измеренной информации через телекоммуникационный блок (БТ) в удаленный персональный компьютер (ПК).

Обмен служебной и измеренной информацией между БК и удаленным ПК осуществляется по беспроводному каналу связи Wi-Fi в масштабе реального времени.

Программное обеспечение (ПО) сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» имеет модульную структуру, которая состоит из следующих программных модулей:

- организации обмена информации по беспроводному каналу связи и сохранения данных;

- математической обработки измеренной информации с БВТП; -визуального представления результатов технического

диагностирования стального трубопровода;

-формирования базы данных результатов технического диагностирования стального трубопровода;

- настройки электронного блока АСД;

- позиционирования блока ВТП.

В таблице 2 приведены основные технические характеристики сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь».

Таблица 2. Технические характеристики сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь»

№ п/п Наименование параметра Значение параметра Примечание

1 ТипВТП Дифференциальный, накладной

2 Размер эффективной зоны контроля ВТП, мм 9

3 Диапазон допустимого зазора между ВТП и металлом, мм от 0,5 до 3 Без потери чувствительности

4 Количество ВТП в измерительном блоке, шт 32

5 Шаг сканирования, мм 250

6 Линейная скорость контроля, м/мин 2,5

7 Шаг записи сигналов ВТП, мм 0,51

8 Метод обработки сигналов ВТП Многопараметро-вый

9 Связь сканера с ПК Wi-Fi

10 Минимальные параметры дефектов сплошности:

Тип дефекта сплошности Размеры дефектов, мм При прохождении ВТП над дефектом

Трещина 0,5x5,0

Точечная коррозия металла 10x10x2,0

11 Вес сканера, кг 135

ПО сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» имеет множество сервисных функций, позволяющих оперативно просматривать на ПК измеренные сигналы дифференциального ВТП, формы годографов, осуществить оценку типа и геометрических параметров выявленных дефектов сплошности в стальной трубе.

На рис.10а показана графическая развертка участка трубопровода на экране дисплея ПК, которая построена на основе измеренных сигналов дифференциальных ВТП сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь». Линейные размеры графической развертки на экране дисплея ПК полностью согласованы с линейными размерами поверхности стальной трубы. На графической развертке отмечены месторасположение продольных сварных швов, обнаруженных участков коррозионного повреждения металла и дефектов сплошности типа трещин в стальной трубе. По результатам сканирования составляется в автоматическом режиме формуляр и дефектограмма (рис.106) с нумерацией дефектных зон. В отчетной документации дефектограмма строится по каждой трубе отдельно.

Лабораторные и стендовые испытания автоматизированного сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» были проведены на испытательном стенде ООО «Газпром ВНИИГАЗ», содержащим фрагменты стальных трубопроводов с естественными и искусственными дефектами сплошности типа трещин и коррозионных повреждений металла, геометрические размеры которых были

нормированы соответствующими стандартами по вихретоковому контролю стальных труб.

б)

1 чао. 3? 35 1 час.

.74 "б ¿ 20428 _ . 1 9,0 13 21 зз 34 11 30 26

2 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 7

31 7 . - „ _ Те 2 3. £6 8 . - 9 4 12 ¡f Тб17 20 2.729 28

8 8

9 9

10 10

11 11

12 12

1 1 1 1 1 II

Хы 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 6.000 6.000 7.000

Рис. 10. Графическая развертка поверхности стального трубопровода по измеренным сигналам сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» а) — графическая развертка трубы на экране дисплея ПК, б) - дефектограмма участка трубопровода от кольцевого шва.

В процессе испытаний контроль стального трубопровода осуществлялся при прямом и обратном (реверсивном) движении сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь».

В процессе стендовых испытаний автоматизированного сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь»» уверенно выявлялись как искусственные, так и естественные дефекты стресс-коррозионного происхождения (рис. 11).

Рис. 11. Стресс-коррозионные дефекты металла (а) и околошовной зоны (б) стальной трубы в составе испытательного стенда ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Приведены результаты вихретокового контроля стального трубопровода сканером-дефектоскопом АСД «Вихрь», которые показывают надежную выявляемость и идентификацию имеющихся дефектов сплошности, в том числе стресс-коррозионных трещин и точечной коррозии металла в теле стальной трубы, в сварных швах и околошовной зоне трубы.

Результаты проведенных лабораторных и стендовых испытаний сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» показали его работоспособность и высокую достоверность результатов контроля.

Основные выводы и рекомендации

1. Показана перспективность сканеров-дефектоскопов для автоматизированного контроля качества стальных трубопроводов, основанных на электромагнитных (вихретоковых) методах НК. Установлена информативность сигналов измерительных каналов дифференциального ВТП над дефектами сплошности типа трещины и коррозии металла в стальной трубе и в сварном шве. Экстремумы сигналов дифференциального ВТП над дефектами сплошности типа трещины и коррозии металла в стальной трубе имеют противоположные полярности, при этом амплитуда сигнала однозначно зависит от глубины трещины и весьма слабо зависят от ее ширины.

2. Показано, что фаза и полярность сигнала дифференциального ВТП позволяют осуществить надежную классификацию дефектов сплошности стальной трубы на две группы: «Трещина», «Коррозия металла».

3. Установлено, что для коэффициентов вейвлетного преобразования сигнала абсолютного канала дифференциального ВТП над трещиной минимальной глубины соотношение сигнал/шум превышает нормативный порог чувствительности и данный параметр для исходного сигнала ВТП примерно

на 50%. Величина коэффициентов вейвлетного преобразования сигналов дифференциального ВТП при этом тесно коррелирует с глубиной дефектов сплошности типа трещин и коррозии металла в стальной трубе.

4. Показано, что оптимальные параметры вейвлетного преобразования сигналов дифференциального ВТП над дефектами сплошности в стальной трубе являются уникальными для измерительных каналов (абсолютного и дифференциального) ВТП. Однако оптимальные параметры вейвлетного преобразования сигналов мнимого и вещественного каналов дифференциального ВТП над дефектами сплошности в стальной трубе примерно одинаковы.

5. Показано, что в распределении разности относительных коэффициентов вейвлетного преобразования сигнала дифференциального ВТП подавляется мешающее влияние сварного шва стальной трубы и повышается вы-являемость дефекта сплошности. Комплексное вейвлетное преобразование позволяет исключить влияние сварного шва стальной трубы, восстановить амплитудные значения и форму сигнала над дефектом сплошности.

6. Использование сигналов абсолютных и дифференциальных каналов ВТП, а также амплитуды коэффициентов вейвлетного преобразования этих сигналов в качестве совместных признаков классификации дефекта сплошности приводит к увеличению количества информации о глубине трещины и коррозии металла в стальной трубе, и как следствие, к существенному повышению точности оценки этих геометрических параметров дефектов сплошности.

7. Для оценки глубины трещины и коррозии металла в стальной трубе с приемлемой для практики электромагнитной дефектоскопии точностью, рекомендовано ограничиться применением 5-6 совместных признаков классификации дефекта сплошности.

8. Разработан автоматизированный сканер-дефектоскоп АСД «Вихрь», предназначенный для наружного вихретокового контроля стального трубопровода.

Результаты лабораторных и стендовых испытаний автоматизированного сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» показали его эффективность при контроле качества стальных трубопроводов и высокую чувствительность к дефектам сплошности типа стресс-коррозионных трещин и коррозии металла.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих научных трудах:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Загидулин Р.В., Коннов A.B. Поиск оптимальных параметров вейвлетной функции для вейвлет-преобразования сигналов вихретокового преобразователя над дефектами сплошности в стальном изделии. - Контроль. Диагностика, 2013, № 5 (179), с. 12-17.

2. Загидулин Р.В., Коннов A.B. Исследование информативности сигнала накладного вихретокового преобразователя над дефектами сплошности металла при электромагнитном контроле стальных изделий. - Контроль. Диагностика, 2013, №7 (181), с. 19-27.

3. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р., Коннов A.B. Некоторые особенности в распределении сигнала вихретокового преобразователя над дефектом сплошности металла в постоянном магнитном поле. - Контроль. Диагностика, 2013, №8 (182), с. 16-21.

4. Бадамшин P.A., Загидулин Т.Р., Коннов A.B. Некоторые вопросы оптимизации параметров вейвлетного преобразования сигналов преобразователей электромагнитного поля. - Вестник УГАТУ, 2013, т.17, № 1 (54), с. 122-127.

5. Бадамшин P.A., Загидулин Т.Р., Коннов A.B. Исследование выявляемости трещины в сварном шве на основе вейвлетного преобразования сигнала дифференциального вихретокового преобразователя. - Вестник УГАТУ, 2013, Т.17, №4 (57), с. 168-174.

6. Коннов A.B. Автоматизированный электромагнитный (вихретоковый) сканер-дефектоскоп АСД «Вихрь». - Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2013. № 5.

7. Коннов A.B. Анализ и интерпретация сигналов при неразрушающем контроле стальных газопроводов электромагнитным сканером-дефектоскопом АСД «Вихрь». - Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2013. №5.

Патенты:

8. Коннов A.B., Коннов В.В. Устройство для сплошного сканирующего контроля качества неповоротных цилиндрических деталей. - Патент РФ на изобретение №2455625, Бюл. изобр., 10.07.2012, № 19.

Статьи и тезисы в трудах конференций

9. Коннов В.В., Коннов A.B., Глушаков И.В., Салюков В. В., Митрохин М.Ю. Диагностирование газораспределительных станций и отводов магистральных газопроводов. -16 Международная деловая встреча «Диагностика-2006». - г. Сочи, 17-21 апреля 2006 г. Т. 1, с. 170-174.

10. Коннов В.В., Коннов A.B., Кеткович A.A. Методы дистанционного зондирования и диагностики отводов магистральных газопроводов. - 6 Международная конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» - М.: Машиностроение - 1, 2007, с. 62-64.

11. Коннов A.B. Об информативности сигналов преобразователей многоканального электромагнитного дефектоскопа для контроля стальных изделий и металлоконструкций. - Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании», 14-18 октября 2012 г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2012, с. 41.

12. Коннов A.B., Кузнецов A.M., Загидулин Т.Р., Загидулин P.B. Электромагнитный контроль поверхности стальных газопроводов в процессе переизоляции. - Международная научно-техническая конференция «Достижения физики неразрушающего контроля», Республика Беларусь, г. Минск, 15 октября 2013 г.-с. 182-189.

13. Коннов A.B. Математическая обработка и интерпретация сигнала вихре-токового преобразователя над сварным швом стального трубопровода. - 6 Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании», 9-13 октября 2013 г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2013, с. 43.

ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР «МОЛНИЯ»

Коннов Алексей Владимирович

СОЗДАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СКАНЕРА-ДЕФЕКТОСКОПА ДЛЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ СТАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА

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 технических наук Загидулин Р.В.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................... 4

Глава 1. Методы и технические средства диагностирования технического состояния стальных трубопроводных систем......... 8

1.1. Проблемы технической диагностики трубопроводных систем. Пути решения с помощью методов и технических средств не- ^ разрушающего контроля стальных изделий..................................

1.2. Методы и технические средства внутритрубной диагностики стальных трубопроводов...................................................... ^

1.3. Методы и технические средства дистанционного и наружного контроля поверхности стальных трубопроводов....................... 19

Выводы......................................................................... 24

Глава 2. Исследование и анализ сигнала вихретокового 26 преобразователя над стальной трубой.....................................

2.1. Анализ сигнала дифференциального вихретокового преобразователя над дефектами сплошности стальной трубы................... 26

2.2. Анализ сигнала дифференциального вихретокового преобразователя над сварным швом стальной трубы............................. 39

2.3.Спектральный и вейвлетный анализ сигнала дифференциального вихретокового преобразователя над дефектами сплошности в стальной трубе.............................................................................. 42

Выводы......................................................................... 47

Глава 3. Вейвлетное преобразование сигнала вихретокового преобразователя и повышение выявляемости дефектов ^ сплошности в стальной трубе.................................................................

3.1. Поиск оптимальных параметров вейвлетного преобразова- 48 ния сигнала дифференциального вихретокового преобразователя......

3.2,Оптимальное вейвлетное преобразование сигнала вихретокового преобразователя над дефектами сплошности в стальной трубе. 53

3.3. Оптимальное вейвлетное преобразование сигнала вихретокового преобразователя над сварным швом стального трубы с дефек- ^ том сплошности.......................................................................

Выводы....................................................................... 68

Глава 4. Исследование информативности сигнала вихретокового преобразователя и оценка геометрических параметров ^ дефектов сплошности в стальной трубе......................................

4.1. Оценка количества информации в сигнале дифференциального вихретокового преобразователя о параметрах дефекта сплошно- ^ сти в стальной трубе...............................................................

4.2. Условия оценки геометрических параметров дефекта сплошности в стальной трубе с заданной точностью....................... 78

4.3. Определение геометрических параметров дефекта сплош-

ности в стальной трубе на основе детерминированных признаков классификации...................................................................... 83

Выводы....................................................................... 87

Глава 5. Разработка автоматизированного сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» для контроля наружной поверхности gg стального трубопровода............................................................................

5.1. Общее устройство автоматизированного сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» ..................................................... 88

5.2. Описание программного обеспечения автоматизированного сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь» ......................................... 94

5.3. Результаты лабораторных и стендовых испытаний автоматизированного сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь»........................ 97

Выводы........................................................................ 104

Основные выводы и рекомендации...................................... 105

Список использованной литературы..................................... 108

Приложение А. Блок-схемы программных модулей ПО сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь».................................................... 121

Приложение Б Патент на изобретение сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь»....................................................................... 124

Приложение В. Протокол исследовательских испытаний наружного автоматизированного вихретокового сканера-дефектоскопа АСД «Вихрь»..................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводных систем является одной из важных задач современной технической диагностики. Для ее успешного решения применяются технологии дистанционного (в том числе аэрокосмического) мониторинга, внутритрубного и наружного контроля стальных трубопроводов различного назначения (газопроводы, нефтепроводы, нефтепродук-топроводы, технологические трубопроводы и т.д.).

Это позволяет своевременно выявлять накопленные повреждения, оценивать фактическое техническое состояние стальных трубопроводов, расчетным способом оценивать их остаточный ресурс, назначать состав, объемы и сроки ремонтных работ и реконструкции поврежденных участков стальных трубопроводов.

Осуществление капитального ремонта и реконструкции всех устаревших стальных трубопроводов практически невозможно по причине огромной протяженности трубопроводных сетей, приводящей к ограничениям технического и экономического характера. Поэтому наиболее целесообразным и эффективным, в данной ситуации, являются выборочный ремонт и реконструкция отдельных участков сети стальных трубопроводов, основанных на полученной диагностической информации.

Опыт технической диагностики стальных трубопроводов показывает, что для эффективного осуществления таких мероприятий оказывается недостаточными объем и качество диагностической информации, получаемой техническими средствами дистанционного и внутритрубного контроля. Это обусловлено тем, что технические средства внутритрубной диагностики обладают недостаточной чувствительностью к дефектам наружной поверхности стальной трубы, в том числе при выявлении стресс-коррозионных трещин металла и сравнительно мелких, но опасных, дефектов сплошности стального трубопровода (например, точечных коррозионных повреждений металла).

Наиболее надежная и достоверная диагностическая информация о техническом состоянии стального трубопровода получается при его обследовании

техническими средствами наружного контроля, при этом, на практике наибольшей эффективностью контроля стальных трубопроводов обладают дефектоскопические комплексы - автоматизированные сканеры-дефектоскопы, которые можно отнести к отдельному классу технических средств неразрушающего контроля стальных изделий и металлоконструкций.

Существующие в настоящее время сканеры-дефектоскопы основаны на разных физических методах неразрушающего контроля материалов и изделий (магнитный, ультразвуковой, электромагнитно-акустический (ЭМА), комбинированный) и позволяют проводить автоматизированный контроль открытых стальных трубопроводов без вмешательства оператора.

Осуществление измерения, математической обработки, визуального представления и документирования результатов контроля стального трубопровода на дисплее компьютера в режиме реального времени позволяет успешно применять автоматизированные сканеры-дефектоскопы в составе ремонтных колонн, осуществляющих ремонт и замену устаревшего защитного изоляционного покрытия (переизоляция) стального трубопровода.

Несмотря на наличие более высоких метрологических характеристик (по сравнению с внутритрубными дефектоскопами), магнитные и ультразвуковые сканеры-дефектоскопы, применяемые сегодня в Газпроме, имеют недостатки, ограничивающие их широкое применение.

Например, затруднено выявление с их помощью стресс-коррозионных трещин в металле с глубинами менее 10% от толщины стенки стального трубопровода, не всегда удается распознать и количественно оценить геометрические параметры близко расположенных дефектов (группа дефектов сплошности) на поверхности стальной трубы, установить тип дефекта сплошности.

Данные проблемы, характерные для существующих сканеров-дефектоскопов при контроле стальных трубопроводов, могут быть успешно решены при использовании в них электромагнитных (вихретоковых) методов, которые обладают наибольшей чувствительностью к поверхностным

дефектам сплошности металла, в том числе, к стресс-коррозионным трещинам в стальной трубе.

Наряду с повышенной чувствительностью к дефектам сплошности на поверхности стального трубопровода для вихретоковых сканеров-дефектоскопов присущи ряд достоинств, важных для практики контроля и выгодно отличающих их от существующих:

- нестрогие требования к чистоте поверхности стального трубопровода (в отличие от ультразвуковых сканеров-дефектоскопов);

- малый вес и простота конструкции (в отличие от магнитных сканеров-дефектоскопов).

Результаты предварительных исследований показывают перспективность создания электромагнитных (вихретоковых) сканеров-дефектоскопов для автоматизированного контроля качества стальных трубопроводов.

В связи с этим создание автоматизированного сканера-дефектоскопа для вихретокового контроля стального трубопровода с наружной поверхности трубы является актуальной задачей.

В процессе проведения работы сформулированы и решены следующие научно-методические, технические и технологические задачи:

1. Анализ и обобщение современного состояния решения проблемы технической диагностики стальных трубопроводов различного назначения техническими средствами неразрушающего контроля.

2. Теоретические и экспериментальные исследования зависимости информативных параметров сигнала дифференциального вихретокового преобразователя (ВТП) от геометрических параметров дефектов сплошности типа трещин и коррозии металла в стальной трубе. Определение наиболее информативных признаков классификации дефектов сплошности в стальной трубе.

3. Разработка методов цифровой обработки измеренного сигнала дифференциального ВТП для повышения выявляемое™ дефектов сплошности

типа трещин и коррозии металла в стальной трубе, в сварном шве и околошовной зоне трубы.

4. Создание методики распознавания типа и оценки геометрических параметров дефектов сплошности типа трещин и коррозии металла в стальной трубе, в сварном шве и околошовной зоне трубы.

5. Разработка автоматизированного сканера-дефектоскопа для вихрето-кового контроля стального трубопровода с наружной поверхности трубы.

В настоящей работе обобщены результаты исследований в области создания автоматизированного сканера дефектоскопа для вихретокового контроля стального трубопровода, выполненные автором в ЗАО Научно-производственный центр «МОЛНИЯ» в период с 2007 по 2013 год.

Основные результаты докладывались и получили одобрение на 7-и международных и всероссийских конференциях и совещаниях. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 работ, в том числе 7 статей в изданиях, рецензируемых ВАК Минобрнауки РФ, 5 статей и тезисов докладов в других изданиях, получен патент РФ на изобретение.

Созданные технические решения использованы при проектировании автоматизированного сканера-дефектоскопа и разработке технологии вихретокового контроля стального трубопровода.

Глава 1. Методы и технические средства диагностирования технического состояния стальных трубопроводных систем

На современном этапе развития трубопроводных систем особо остро стоит проблема обеспечения надежности и безаварийности стальных трубопроводов различного назначения (магистральных, технологических и т.д.) из-за их подверженности естественному старению (рис.1.1). Надежность функционирования магистральных стальных трубопроводов (газопроводов, нефтепроводов, нефтепродуктопроводов) в значительной степени зависит от надежности их линейной части.

10-20 лет 26%

до 10 лет

I более 30 28'!

Рис 1.1 Возрастная структура объектов газотранспортной системы

Статистика отказов трубопроводных систем показывает, что в большинстве своем отказы в работе стальных трубопроводов связаны с коррозией и механической усталостью металла трубы, местной потерей устойчивости, прочности и герметичности стенки трубы [1, 3, 7, 25-26, 89-90, 95-97].

Например, статистика выявленных дефектов сплошности на магистральных газопроводах показывает, что 29% дефектов от их общего количества составляют дефекты сплошности типа наружной коррозии (в том числе коррозионного растрескивания под механическим напряжением -КРН). Изучение характера дефектов сплошности показало, что наиболее опасными являются возникающие в зонах концентрации механических напряжений и быстро развивающиеся стресс-коррозионные трещины,

приводящие к нарушению целостности (сплошности) металла стального трубопровода [83-84, 98-100].

Формирование отказов трубопроводных систем, как правило, связано с возникновением и развитием дефектов сплошности металла, обусловленных комплексом различных причин конструктивного, технологического и эксплуатационного характера [1, 7, 25-26, 74, 95-97, 105, 107].

1.1. Проблемы технической диагностики трубопроводных систем. Пути решения с помощью методов и технических средств неразрушающего контроля стальных изделий

В настоящее время техническая диагностика трубопроводных систем, основной задачей которой является обеспечение надежной безаварийной эксплуатации стальных трубопроводов, обладает целым комплексом специализированных методик и технических средств, которые позволяют с заданным уровнем достоверности:

- оценивать фактическое состояние металла стального трубопровода;

- рассчитать остаточный ресурс работоспособности стального трубопровода;

- определить состав и объем мероприятий, необходимых для восстановления работоспособности стальных трубопроводов различного назначения.

Оценка технического состояния стального трубопровода осуществляется на основе совокупности диагностических параметров, получаемых (измеряемых) на стальном трубопроводе, при этом, подавляющее большинство этих параметров определяются с помощью методов и технических средств неразрушающего контроля (НК) материалов и изделий [66-68, 88, 93-95, 111-126].

В настоящее время методы НК практически полностью вытеснили методы технической диагностики, включающие разрушающие методы контроля (особенно, на эксплуатирующихся стальных трубопроводах).

Например, в настоящее время гидростатические испытания выборочно проводятся лишь на вновь построенных, или модернизированных стальных трубопроводах, несмотря на то, что эти испытания позволяют объективно оценивать прочностные характеристики стальной трубы и выявить достаточно серьезные дефекты сплошности металла [29, 42, 79].

Для осуществления технического диагностирования стальных трубопроводов применяются различные физические методы и технические средства НК, которые по виду взаимодействия с объектом контроля (стальным трубопроводом) можно разбить на следующие группы:

- дистанционные методы и технические средства контроля стального трубопровода (надземные, воздушные, в том числе аэрокосмические) [9, 16, 20, 50,52,60,73,82];

- технические средства внутритрубной диагностики стальных трубопроводов [14, 28-29, 45-46, 56, 93-94, 101, 105, 119 - 123];

- технические средства контроля наружной поверхности стального трубопровода [21, 47, 63, 72, 75, 77-78, 88, 113 - 114,124-125].

Технические средства и комплексы НК осуществляют количественную оценку диагностических параметров стального трубопровода, которые включают:

высотно-плановое положение линейной части стального трубопровода;

- линейные размеры локальных участков с изменением профиля стальной трубы;

- месторасположение, типы и линейные размеры дефектов сплошности стальной трубы;

- линейные размеры локальных участков стальной трубы с повышенным напряженно-деформированным состоянием (НДС) металла и величины механических напряжений.

Данная диагностическая информация позволяет наиболее достоверно оценивать техническое состояние стального трубопровода и обоснованно

выбирать оптимальную методику ремонта дефектных участков стального трубопровода [21, 75, 95, 100, 107].

В настоящее время находят все большее развитие методы обеспечения надежности стальных трубопроводов при снижении несущей способности их линейной части, которые учитывают вероятностный характер процессов, протекающих в трубопроводе, динамический характер развития дефектов сплошности металла в поле механических напряжений стальной трубы [1,3, 25-27, 31, 42-43, 61-62, 89-90, 95-97, 102].

В работах [27, 89-90, 102] предложены критерии оценки степени опасности дефектов сплошности по их статической и динамической устойчивости.

По критерию статической устойчивости предлагается оценивать опасность классических (неострых) дефектов сплошности металла, классифицируемых как утонение стенки стальной трубы.

Динамически неустойчивый дефектный участ�