CC BY
48
Moiseev Evgeny Fedorovich, candidate of technical science, senior research associate, Yamnikovas@mail.ru, Russia, Tula, SC «NPO «SPLAV»,
Yamnikov Alexander Sergeyevich, doctor of technical science, professor, Yamniko-vas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yamnikova Olga Aleksandrovna, doctor of technical science, professor, yamniko-vaoa@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 620.179.14
КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ДНИЩА РВС ФАР-ДЕФЕКТОСКОПОМ
А.А. Сельский, Ю.Н. Безбородов, Н.Н. Лысянникова, Е.Г. Кравцова, А.В. Лысянников, В.Г. Шрам, Ю.Ф. Кайзер, М.А. Плахотникова,
М.А. Мерко
Представлено решение по созданию специализированного низкочастотного дефектоскопа, работающего на фазированных акустических решетках, который позволит решить проблему утечек нефтепродукта, путем заблаговременного диагностирования изготовительных, монтажных или эксплуатационных дефектов основного металла листов днища, трудно выявляемых традиционными методами контроля из-за большой площади объекта.
Ключевые слова: диагностика, резервуар, нефтепродукт, утечка, фазированные акустические решетки, дефектоскоп, сигнал, дефект, герметичность.
В процессе эксплуатации вертикальных стальных резервуаров наиболее опасным видом износа является образование течей в листовых элементах стенок и днищ вследствие коррозии, возникающей от воздействия внешней среды и возможных загрязнений (осадков) в хранимом нефтепродукте. Неблагоприятными последствиями образования протечек являются потери нефтепродукта, повышение взрывопожароопасности, загрязнение окружающей среды, подмыв основания резервуара. В связи с этим «Правилами технической эксплуатации нефтебаз» [1] предусмотрены периодические меры по диагностике резервуаров.
В большинстве типовых методик по контролю днищ резервуаров большое внимание уделяется дефектоскопии сварных соединений. Однако сварные соединения днищ при эксплуатации резервуара не испытывают высоких растягивающих нагрузок, и поэтому представляется целесообразной их проверка только на герметичность. На днищах, изготовленных из рулонов, сваренных автоматической и полуавтоматической сваркой, проверке ультразвуком по [2] следует подвергать только монтажные швы,
причем такие дефекты сварки, как несквозные непровары, подрезы, поры и зашлаковки, вряд ли представляют опасность. Однако гораздо более актуален контроль основного металла листов. Например, по статистике наблюдений на сварные соединения приходится не более 10 % от всего объема выявляемых протечек в днищах резервуаров.
Отличительными особенностями эксплуатации нефтеналивных резервуаров в свете механизмов износа стенок и днищ являются малоцикли-ческоенагружение и преобладание химического воздействия окружающей среды над активностью хранимого продукта.
Ввиду доступности для визуального осмотра выявление течей в вертикальных стенках при испытании резервуаров и в ходе их эксплуатации не представляет практической сложности, а химическое воздействие среды на металл стенок носит преимущественно односторонний характер (снаружи) и менее активно, чем в отношении днища. Визуальное обнаружение протечек в днище при заполненной емкости невозможно.
Снятие статического давления существенно изменяет текущее состояние дефектов в днищах. Сквозные или потенциально сквозные несплошности под давлением жидкостного столба получают раскрытие, достаточное для проникновения в них продукта, но при разгрузке резервуара под действием упругости металла могут сомкнуться до степени, не позволяющей обнаружить их визуально. Недоступны для визуального выявления также эксплуатационные дефекты, проистекающие со стороны грунта, независимо от их величины. В условиях хранения качественных нефтепродуктов (т.е. слабой химической активности осадка) износ резервуара в наибольшей степени определяется именно этим процессом.
Типовая методика контроля днищ резервуаров, изложенная в инструкциях [3], предусматривает выборочный контроль визуально подозрительных мест с помощью ультразвука (сварные соединения и толщиномет-рия), а также вакуумно-жидкостным методом [4] (сквозные дефекты). Ва-куумно-жидкостный метод состоит в том, что подозрительное место смачивают мыльным раствором, затем на него помещают прозрачную вакуум-камеру (колпак из оргстекла), из которой откачивают воздух. Под действием атмосферного давления воздух из-под днища устремляется в камеру сквозь дефект, и поэтому над дефектом образуются мыльные пузыри.
Однако такие методы не решают ряд задач, а именно не выявляют дефекты в виде язв и несквозных трещин, развивающихся от грунта, а также сквозных «захлопывающихся» трещин, которые невозможно различить визуально из-за их слабого раскрытия при разгруженном РВС. Для решения этой проблемы была разработана специальная методика сплошного ультразвукового поиска дефектов с помощью нормальных акустических волн в листах (волн Лэмба). Это позволило, например, осуществлять полный контроль днища РВС для хранения дизельного топлива диаметром 18 м (площадь 2550 м ) с затратами на поиск дефектов 8 человеко-часов. Од-
нако, по собственному мнению авторов, недостатком этой методики является то, что она ориентирована на параметры типовых универсальных ультразвуковых дефектоскопов, выпускавшихся отечественной (УД2-12, УД2-17) и зарубежной (ШК-78) промышленностью на момент ее разработки, которые не всегда наиболее корректно удовлетворяют данной задаче.
Прежде всего, это касается набора ультразвуковых частот, предусмотренных стандартами на такую аппаратуру. Большинство универсальных дефектоскопов используют частоту не ниже 1 МГц, что ограничивает «дальнобойность» акустического сигнала, так как с повышением частоты увеличивается его склонность к затуханию. По разработанной методике такая «дальнобойность» составляет 1 м. Если же исходить не из возможностей универсальной аппаратуры, а из условий задачи, то оптимальная частота должна быть существенно ниже реализованных в методике вариантов (1...2 МГц). Тем более, что в последние годы на мировом рынке дефектоскопической аппаратуры появились компьютеризированные модели с низкими ультразвуковыми частотами, такие, как УД3-103 «Пеленг», УДС2-52 «Зонд», ШМ-22Ь.
Однако подбор аппаратных средств является лишь частью решения технологической задачи ультразвуковой диагностики конкретных производственных объектов. Каждая такая задача требует оптимального подбора, а в лучшем случае - специального проектирования и изготовления пьезоэлектрического преобразователя (датчика) для наиболее эффективного перевода импульсов колебательной электрической энергии в зондирующий ультразвуковой сигнал упругих колебаний выбранного типа в конкретном металлическом объекте и ответного акустоэлектрического преобразования эха от всех вероятных дефектов.
В настоящее время многие разработчики ультразвуковых дефектоскопов обратились к применению так называемых ФАР-преобразователей («ФАР» - фазированные акустические решетки). Это удобно в том плане, что угол ввода может меняться автоматически, то есть осуществляется сканирование качающимся лучом.
В разрабатываемом дефектоскопе переменное фазирование сигнала (автоматическая смена азимута его посыла) должно осуществляться не в вертикальной, а в горизонтальной плоскости, так как в целях возбуждения волн Лэмба вертикальный угол ввода ультразвука должен быть фиксированным, а автоматическому изменению должен подвергаться азимут направления сигнала в плоскости контролируемого листа. При этом следует учесть, что технически такое фазирование можно осуществить только в пределах угла от 0 до 90°. Поэтому проектируемый ФАР-преобразователь должен состоять из 4 решеток, расположенных в плане квадратом (рис. 1), а встроенная в дефектоскоп программа - соответственно представлять на экране изображение листа с отметками выявляемых дефектов.
ФАР 3 ФАР 2 Контролируемый лист
ФАР-ПЭП ФАР 4 ФАР 1
Рис. 1. Общая схема контроля стального листа ФАР-системой
Фазовое разложение сигналов в электронных схемах осуществляется с помощью линии задержки, принципиальная схема которой показана на рис. 2. Автоматическое изменение величины фазового сдвига (величины задержки сигнала) достигается синхронным изменением потенциала сопротивлений Яф или емкости конденсаторов Сф. Число секций линии задержки на 1 меньше числа элементов ФАР, так как первый элемент ФАР получает сигнал, поступающий на вход линии задержки, а прочие - с выходов соответствующих секций.
Рис. 2. Принципиальная схема линии задержки сигнала
Алгоритм автоматического сканирования, который должен быть предусмотрен программным обеспечением специализированного ФАР-дефектоскопа, показан на рис. 3.
Разработчикам программного обеспечения специализированного ФАР-дефектоскопа должно быть поставлены следующие условия:
- изображение на экране должно быть в виде прямоугольника, имитирующего контуры контролируемого листа;
147
- в центре развертки должна быть фиксированная метка позиции датчика;
- позиции дефектов должны отображаться темными пятнами на соответствующих направлениях на дистанции от центра, соответствующей по масштабу координате дефекта;
- при наведении курсора на изображение дефекта рядом с ним должны появляться численные параметры отражения: амплитуда эхосиг-нала в децибелах и координаты в градусах и миллиметрах относительно точки установки датчика.
Пример предполагаемого изображения показан на рис. 4.
Рис. 3. Алгоритм автоматического сканирования
Рис. 4. Пример изображения на экране
148
Разрабатываемый специализированный низкочастотный дефектоскоп, работающий на ФАР, позволит решить проблему утечек нефтепродукта путем заблаговременного диагностирования изготовительных, монтажных или эксплуатационных дефектов основного металла листов днища, трудно выявляемых традиционными методами контроля из-за большой площади объекта.
Список литературы
1. Правила технической эксплуатации нефтебаз. Утв. приказом Минэнерго России от 19.06.2003. Ввод в действие: 30.06.2003. М: Минэнерго России, 2003. 150 с.
2. ГОСТ 14782-86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые. Введ. 01.01.1988. М.: Изд-во стандартов, 1988. 38 с.
3. Правила технической эксплуатации резервуаров и инструкции по их ремонту. Утв. Госкомнефтепродукт СССР от 26.12.1983. М.: Госкомнефтепродукт СССР, 1983. 283 с.
4. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. Введ. 01.01.1987. М.: Изд-во стандартов, 1987. 18 с.
Сельский Андрей Анатольевич, канд. техн. наук, доц., shram18rus@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Безбородов Юрий Николаевич, д-р., техн. наук, проф., Labsm@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Лысянникова Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доц., nataly.nm@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Кравцова Екатерина Геннадьевна, канд. техн. наук, доц., пт. 986@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Лысянников Алексей Васильевич, канд. техн. наук, доц., lysyanni-kov.alek@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Шрам Вячеслав Геннадьевич, канд. техн. наук, доц., shram18rus@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Кайзер Юрий Филиппович, канд. техн. наук, доц., kaiser170174@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Серебренникова Юлия Геннадьевна, ассистент, jl.serebro@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Мерко Михаил Алексеевич, канд. техн. наук, доц., m.merko@mail.ru, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Политехнический институт
MONITORING VERTICAL STEEL TANK BOTTOM FLAW BASED PHASED
ACOUSTIC GRATING
A.A. Selsky, Y.N. Bezborodov, N.N. Lysyannikova, E.G. Kravtsova, A.V. Lysyannikov, V.G. Shram, Y.F. Kaiser, Y.G. Serebrennikova, M.A. Merko
This paper presents a solution of the creation of a specialized low-frequency flaw detector working on phased acoustic arrays, which will allow to solve the problem of leakage of a petroleum product, by providing early diagnosis production, installation or operational defects of the base metal sheets of the bottom, which is difficult to identify by traditional methods of control because of the large area object.
Key words: diagnostics, reservoir, petroleum, leak oil, phased acoustic arrays, detector, alarm, defect, tightness.
Selsky Andrey Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, Labsm@,mailru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Bezborodov Yury Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, Labsm@,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Lysyannikova Nataly Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, nata-ly.nm@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Kravtsova Ekaterina Gennadievna, candidate of technical sciences, docent, rina 986@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Lysyannikov Alexey Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, lysyanni-kov.alek@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Shram Vyacheslav Gennadevich, candidate of technical sciences, docent, Shram18rus@,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Kaiser Yury Filippovich, candidate of technical science, docent, kais-er170174@mail.ru, Russia,Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Plakhotnikova Marina Anatolievna, assistant, tsupcomarusya@yandex.ru, Rus-sia,Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Merko Mikhail Alekseevich, candidate of technical science, docent, m.merko@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Polytechnical institute
