CC BY
36
Ключевые слова:
стресс-
коррозионная
трещина,
коррозионное
растрескивание
под напряжением,
ультразвуковой
контроль,
ультразвуковой
дефектоскоп,
томограмма,
цифровая
фокусировка
апертуры,
антенная решетка.
УДК 620.179.16
Измерение глубины стресс-коррозионных трещин магистральных газопроводов
С.Г. Алёхин1, АА Самокрутов1, В.Г. Шевалдыкин1*
1 ООО «Акустические Контрольные Системы», Российская Федерация, 142712, Московская обл., Ленинский р-н, Горки Ленинские рп, промзона «Технопарк», ул. Восточная, вл. 12, стр. 1 * E-mail: shev@acsys.ru
Тезисы. При капитальном ремонте магистральных газопроводов оценку размеров колоний стресс-коррозионных трещин и определение наибольшей их глубины обычно производят приборами, основанными на вихретоковых, электропотенциальных и ультразвуковых методах неразрушающего контроля. Наиболее широко применяют вихретоковые дефектоскопы благодаря их достаточной точности и высокой производительности в сравнении с приборами, реализующими другие физические методы измерений. С развитием техники и методики ультразвукового контроля появилась возможность использовать для обнаружения и оценки глубины поверхностных трещин ультразвуковые дефектоскопы, визуализирующие внутреннюю структуру металла контролируемого объекта. В статье рассмотрен физический смысл способа обнаружения и измерения глубины стресс-коррозионных трещин с помощью визуализирующих дефектоскопов. Изложены методические аспекты проведения контроля стенок труб такими приборами.
Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) является наиболее опасным видом дефектов магистральных газопроводов. Действующие требования не допускают эксплуатации трубопроводов со стресс-коррозионными трещинами любой глубины. При обнаружении такие трещины обязательно устраняются. В зависимости от глубины трещин выбирают способ ремонта, а именно путем вышлифовки, наплавки или полного вырезания поврежденного участка трубы с заменой его новым [1, 2].
Очаги КРН, как правило, представляют собой колонии близко расположенных друг к другу трещин, выходящих на внешнюю поверхность стенки трубы. И измеряют их глубину с внешней поверхности трубы на вскрытом трубопроводе по результатам внутритрубной диагностики. Основная сложность этих измерений состоит во влиянии соседних трещин в колонии на показания приборов при измерении глубины отдельной трещины. Это влияние проявляется тем сильней, чем больше плотность расположения трещин в колонии. Менее всего этому влиянию подвержены электропотенциальные приборы. Но и у них погрешности измерений доходят до 40 % при высокой плотности трещин. У вихретоковых приборов погрешности еще больше. И только благодаря простоте и оперативности измерений вихретоковые приборы являются предпочтительными для этой задачи [3, 4].
Традиционным ультразвуковым (УЗ) дефектоскопом с наклонным УЗ преобразователем можно измерить глубину только одиночной трещины. Для этого плоскость падения пучка УЗ волн нужно расположить перпендикулярно устью трещины, и по разности времен прихода эхосигналов от углового отражателя (трещина - поверхность стенки) и гребня трещины рассчитать глубину. Но этот способ в большинстве случаев не пригоден для практики, поскольку трещины обычно не образуют угловых отражателей с поверхностью металла из-за своего наклонного расположения и ветвистости. В колонии измерения особенно затруднены вследствие рассеяния УЗ пучка при вводе зондирующего сигнала в стенку и при приеме эхосигналов.
Физически возможны и практически реализуемы и другие УЗ способы измерения глубин трещин. Но как показали исследования, их можно применять только к одиночным трещинам, и результаты измерений не всегда достоверны [5].
Наиболее информативным и удобным в трассовых условиях способом УЗ контроля дефектов КРН с возможностью измерения их глубины является способ
визуализации структуры приповерхностной зоны стенки трубы с помощью УЗ дефектоскопа с цифровой фокусировкой апертуры (ЦФА) антенной решетки (АР). Поскольку гребень каждой трещины в колонии, как правило, представляет собой ломаную линию, то каждый изгиб или излом ее служит центром рассеяния падающих на него УЗ волн. В отраженных лучах эти центры являются блестящими точками, отображаемыми на экране прибора, и координаты этих точек (глубина и дальность от АР вдоль поверхности металла) несут всю полезную информацию о трещинах.
Акустическая схема контроля КРН
Поиск, обнаружение и отображение на экране дефектоскопа дефектов КРН выполняют с помощью линейной наклонной АР поперечных УЗ волн. Плоскость визуализации (аналог плоскости падения пучка наклонного УЗ преобразователя) ориентируют вдоль преимущественного направления трещин в колонии [6]. Ход лучей УЗ волн от АР к трещине и обратно представлен на рис. 1. Используется четная схема распространения акустических сигналов: два отражения от донной поверхности в полной траектории хода лучей [6, 7].
На изометрической проекции (см. рис. 1) лучи эхосигналов условно не показаны. Ширина области распространения УЗ волн, охватывающей плоскость визуализации, составляет 5...10 мм. Она определяется размером пассивной апертуры АР, которая обычно не превышает 10 мм. При близком расположении трещин в колонии (черные линии на изо-метрии) в область, облучаемую УЗ волнами, могут попасть две или три соседние трещины. Тогда в изображении могут отобразиться образы гребней не только одной трещины. Однако их координаты, главное, глубина, будут соответствовать реальности. Сетка трещин, сквозь которую происходят излучение и прием УЗ сигналов, не ослабляет их амплитуду существенно, если все трещины под апертурой АР приблизительно параллельны плоскости визуализации.
Реконструкция изображения в дефектоскопе с ЦФА производится с использованием четного алгоритма в соответствии с четной акустической схемой [7]. Особенностью этого алгоритма применительно к контролю КРН является бланкирование любых эхосигна-лов в колебаниях, принимаемых решеткой,
Рис. 1. Акустическая схема, используемая при контроле КРН:
1 - антенная решетка; 2 - трещина; 3 - стенка трубы;
4 - лучи зондирующих сигналов;
5 - лучи эхосигналов от трещины
в интервале времени от момента зондирования до момента падения УЗ волны на донную поверхность стенки трубы. Это позволяет отображать на экране образы неоднородностей металла, расположенных только на донной поверхности и дальше по траектории распространения зондирующих сигналов. На экране прибора образы гребня трещины, ее стенок, если они шероховатые, и берегов отображаются в обычном положении: внешняя поверхность стенки с трещиной располагается вверху, донная поверхность - внизу.
Отражательная способность трещин
Средний уровень амплитуд эхосигналов, принимаемых элементами АР при поиске стресс-коррозионных трещин, обычно на 20.40 дБ ниже амплитуд сигналов от типичных дефектов в сварных швах. Этот уровень близок к уровню структурного шума металла, который является основной помехой при контроле. Зерна структуры металла - тоже отражающие центры, как и неровности гребня трещины. И отличить их образы от образов гребня можно в основном по амплитуде (яркости). Еще небольшое отличие в том, что образы структуры металла расположены хаотично и не складываются в линию, а образы гребня сохраняют свое характерное взаимное расположение при небольших смещениях АР в плоскости визуализации.
Величина раскрытия трещин, имеющих тенденцию к росту, в области вершины уменьшается практически до нуля. Острые вершины таких трещин слабо отражают УЗ волны, падающие на них со стороны донной поверхности, не только из-за малых размеров неровностей профиля, но и из-за малой величины раскрытия. У стабильных, не растущих трещин вершины менее острые. Однако и они отражают УЗ волны не намного лучше, поскольку их размеры меньше длины УЗ волны. Поэтому для поиска вершин трещин необходимо использовать наиболее высокие частоты ультразвука - примерно 8.. .10 МГц.
Берега трещины, как правило, неровные, извилистые и шероховатые, ориентированные под разными углами к внешней поверхности трубы, а также изогнутые в вертикальном направлении. Берега трещин, в отличие от неровностей вершины, отражают УЗ волны направленно. Хотя неровности берегов тоже могут являться отражающими, точнее, рассеивающими центрами. Кроме того, трещины часто имеют ответвления в глубину от основного русла. Эти ответвления и изгибы вершин трещин обладают намного большей отражательной способностью, чем вертикально ориентированные вершины. И от них на изображениях могут появляться образы с большой амплитудой.
При расположении АР точно вдоль устья трещины (см. рис. 1) не всегда возможно обнаружить гребень трещины по причине очень слабых отраженных сигналов от него, завуалированных структурным шумом. В этом случае смещают решетку на несколько миллиметров в сторону от трещины и направляют ее излучение на трещину под небольшим острым углом в пределах 10°...20°. В этом случае плоскость визуализации пересекает берега трещины и ее гребень. Поворачивая антенную решетку вокруг вертикальной оси на углы ±10°, добиваются обнаружения каких-то отражающих центров гребня трещины. Этот способ косого облучения трещины обычно помогает обнаружить части гребня трещины, так как его неровности могут иметь разные ориентацию и наклон относительно нормали к поверхности ввода ультразвука. Так удается найти направление на более сильный отраженный УЗ сигнал.
Результаты экспериментов
Поиск и оценку глубины стресс-коррозионных трещин проводили на катушках труб
и фрагментах стенок труб, бывших в эксплуатации. Для этого применяли УЗ дефектоскоп А1550 Шго^ог, реализующий метод ЦФА [8]. С ним использовали 16-элементную АР поперечных волн с рабочей частотой 10 МГц и активной апертурой 20 мм. Пассивная апертура решетки составляла 6 мм.
Оценку разрешающей способности дефектоскопа и его чувствительности к малоразмерным приповерхностным отражателям выполняли по контрольному образцу ИВ106-1, представляющему собой пластину из стали 20 толщиной 10 мм с нанесенными на ее поверхность парами параллельных рисок на расстояниях от 0,7 до 2,5 мм друг от друга (рис. 2). Глубина рисок составляла примерно 0,1 мм, длина - 5 мм.
На рис. 3 изображено вертикальное сечение (томограмма) этого образца с образами рисок, разнесенных на 0,7 мм. АР располагалась на широкой поверхности образца, где лежит линейка (см. рис. 2). Плоскость визуализации решетки была ориентирована перпендикулярно рискам. Видно, что образы рисок действительно расположены на расстоянии, меньшем миллиметра по оси Х, а их глубина практически равна нулю. Амплитуда образов намного превышает фон изображения, который вызван в основном структурным шумом металла.
Рис. 2. Образец для оценки разрешающей способности дефектоскопов по горизонтальной дальности
8 10 12 14 16 18 20 22 24
X, мм
Рис. 3. Изображение сечения образца (см. рис. 2) в зоне рисок, разнесенных
на 0,7 мм: 2 - ось глубин; Х - ось горизонтальных дальностей от центра апертуры АР
Перед контролем реальных трещин требовалось настраивать дефектоскоп на скорость поперечных УЗ волн непосредственно на конкретном фрагменте трубы. Для этого включали в приборе режим отображения полупространства. АР располагали на поверхности фрагмента в зоне, где нет трещин, и направляли плоскость визуализации вдоль образующей трубы. При правильно установленной скорости образы донной и внешней поверхностей стенки должны отображаться на экране параллельно оси X Если эти образы были не параллельны оси Х, то, меняя значение скорости ультразвука в приборе, добивались этой параллельности. В результате образы донной и внешней поверхностей автоматически оказывались на своих местах по глубине. Затем, измерив глубину донного образа, устанавливали полученное значение в качестве толщины фрагмента стенки и переключали дефектоскоп в режим томографии пластины с указанным выше бланкированием.
Иногда настройка скорости осложнялась тем, что обе поверхности стенки были гладкими и не давали заметных образов на экране. Поэтому требовалось найти зону, где эти поверхности были шероховатыми и их образы удавалось обнаружить на фоне структурного шума металла.
На рис. 4 представлена томограмма стенки трубы диаметром 1420 мм, полученная в зоне стресс-коррозионной трещины. Донная поверхность стенки толщиной 15,6 мм повреждена коррозией, о чем свидетельствует цепочка ярких образов с координатами по оси Х от 12 до 38 мм. В верхней части изображения цепь образов с координатами по оси Х от 29 до 52 мм соответствует трещине. Наиболее глубокая ее часть вызвала наибольший по амплитуде образ красного цвета. Его глубина 2,4 мм. Возможно, здесь присутствует небольшое разветвление трещины, и получившийся уголковый отражатель дал образ повышенной амплитуды. Остальные менее яркие образы расположены на глубинах от 2 до 2,4 мм.
На рис. 5-8 приведены томограммы стенок фрагментов труб с трещинами разных размеров, находящимися внутри колоний. В стенке толщиной 16,5 мм (см. рис. 5) на дальностях по оси Х около 35.40 мм глубина трещины доходит до 3,3 мм. Отсутствие каких-либо образов на меньших глубинах означает, что двугранный угловой отражатель (берег
Рис. 4. Томограмма стенки трубы с трещиной КРН
Рис. 5. Томограмма стенки трубы толщиной 16,5 мм с трещиной глубиной 3,3 мм
Рис. 6. Томограмма стенки трубы толщиной 17,1 мм с трещиной глубиной 0,4 мм
10 20 30 40 Х,мм
Рис. 7. Томограмма стенки трубы толщиной 15,25 мм с трещиной глубиной 3,7 мм
Рис. 8. Томограмма стенки трубы с трещиной глубиной 4,7 мм
20
30
40
50
60
10
15
10
20
30
40 X. мм
10
20
30
40 X. мм
10
20
30
40 X. мм
трещины - поверхность стенки) при остром угле между плоскостью визуализации и «плоскостью» трещины не вызывает отражений УЗ сигналов. Если бы трещина была извилистой или с шероховатыми берегами, то такие образы могли бы присутствовать.
Томограмма на рис. 6 являет собой пример изображения трещины малой глубины (наибольшая глубина 0,4 мм). Цепь образов этой трещины практически вся лежит вблизи поверхности стенки. И только гладкая некор-родированная поверхность позволяет заключить, что образы на томограмме вызваны именно трещиной. Следует заметить, что на рис. 5 и 6 донные поверхности стенок гладкие, в отличие от томограммы на рис. 4.
Пример томограммы трещины с явно шероховатыми берегами в образце при толщине стенки трубы 15,25 мм приведен на рис. 7. Сканируя решеткой поверхность стенки, длину этой трещины оценили значением 100 мм. Из-за извилистости отобразить ее на томограмме можно было только по частям. Причем лучше всего образы ее гребня проявлялись при расположении плоскости визуализации под углами около 10°...15° к линии устья трещины на поверхности стенки.
Поскольку каждая трещина, как правило, извилиста, то вскрыть ее вдоль и показать
на шлифе ее профиль на протяжении хотя бы 20 мм невозможно. Поэтому сравнить наибольшую глубину трещины, измеренную по томограмме, с реальной глубиной можно только послойной сошлифовкой поверхности исследуемого фрагмента трубы. Так, в частности, глубина трещины, измеренная по наиболее глубокому образу томограммы на рис. 8, равна 4,7 мм. После контролируемой шлифовки этого фрагмента стенки определили реальную глубину
трещины, которая составила 4,95 мм.
***
Разработанный способ ручного ультразвукового контроля стенок труб в целях обнаружения в них дефектов КРН и определения их глубины может использоваться в трассовых условиях при капитальном ремонте магистральных трубопроводов. Способ обеспечивает наглядность представления результатов контроля и их документирование. Диапазон измерений глубин трещин составляет от десятых долей миллиметра до 10 мм и более. Погрешность измерений глубины предстоит определить экспериментальными исследованиями. Контроль может проводить оператор средней квалификации, обученный работе с ультразвуковым дефектоскопом с цифровой фокусировкой апертуры.
Список литературы
1. Арабей А.Б. Влияние особенностей технологии производства труб на стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением / А.Б. Арабей, Т.С. Есиев, И.В. Ряховских и др. // Газовая промышленность. - 2012. - № 2. - С. 52-54.
2. Мельникова А.В. Разработка норм допустимости стресс-коррозионных повреждений труб в составе длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов / А.В. Мельникова,
И.В. Ряховских. - http://vniigaz.gazprom.rU/d/ textpage/d3/467/01_melnikova-av.pdf
3. Алимов С.В. Концепция диагностирования и ремонта магистральных газопроводов
в регионах с высокой предрасположенностью к стресс-коррозии / С.В. Алимов, А.Б. Арабей, И.В. Ряховских и др. // Газовая промышленность. - 2015. - № 724: спецвыпуск. - С. 10-15.
4. Ряховских И.В. Оценка размеров стресс-коррозионных дефектов при техническом диагностировании газопроводов / И.В. Ряховских, А.А. Каверин, И.Г. Петухов и др. // Вести газовой науки: науч.-технический. сб. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2020. - № 2 (44): Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов. - С. 4-14.
5. Шевалдыкин В.Г. Измерение глубины стресс-коррозионных трещин магистральных газопроводов / В.Г. Шевалдыкин,
А.А. Самокрутов // Сб. тез. докл. XXIII Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлов и перспективных материалов» (УЗДМ-2019), 28-31 мая 2019 г. - СПб., 2019. - С. 9.
6. Шевалдыкин В.Г. Термины ультразвукового контроля с антенными решетками и что они означают / В.Г. Шевалдыкин, А.А. Самокрутов, Я.Г. Смородинский // Дефектоскопия. - 2018. -№ 9. - С. 31-40.
7. Самокрутов А.А. Ультразвуковая томография металлоконструкций методом цифровой фокусировки антенной решетки / А.А. Самокрутов, В.Г. Шевалдыкин // Дефектоскопия. - 2011. - № 1. - С. 21-38.
8. А1550 МЬчз^ог - универсальный
ультразвуковой томограф (АКС) // Средства акустического контроля: технический справ. -СПб.: СВЕН, 2008. - С. 68-69.
Measuring depth of stress-corrosion cracks in trunk gas pipelines
S.G. Alekhin1, A.A. Samokrutov1, V.G. Shevaldykin1*
1 Acoustic Control Systems LTD, Bld. 1, Estate 12, Vostochnaya street, Tekhnopark industrial area, Gorky Leninskiye, Moscow region, 142712, Russian Federation * E-mail: shev@acsys.ru
Abstract. In case of major capital repairs of gas mains, the eddy-current, electropotential, and ultrasonic nondestructive testing instruments are applied for assessment of dimensions and maximal depths of the stress-corrosion crack colonies. The eddy-current flaw detectors are the most popular ones due to their sufficient accuracy and high performance in comparison with the instruments realizing other physical methods of measurements. Now that the ultrasonic equipment and methods have caught on, there is a possibility to find and estimate the depth of the surface cracks using the ultrasonic flaw detectors, which visualize the inner structure of metal of a tested object. This article goes into the physical concept of a method aimed at indicating and measuring depths of the stress-corrosion cracks by means of visualizing flaw detectors. Authors disclose the methodical aspects of pipe walls inspection using the named instruments.
Keywords: stress-corrosion crack, ultrasonic testing, ultrasonic flaw detector, tomogram, digital focusing of aperture, antenna array.
References
1. ARABEY, A.B., T.S. YESIYEV, I.V. RYAKHOVSKIKH, et al. Effect of pipe production process specifics on their resistance to stress corrosion cracking [Vliyaniye osobennostey tekhnologii proizvodstva trub na stoykost k korrozionnomy rastreskivaniyu pod napryazheniyem]. Gazovaya Promyshlennost, 2012, no. 2, pp. 52-54. ISSN 0016-5581. (Russ.).
2. MELNIKOVA, A.V., I.V. RYAKHOVSKIKH. Formulating acceptability standards for stress-corrosion defects of pipes incorporated into continuously operated trunk pipelines [Razrabotka norm dopustimosti stress-korrozionnykh povrezhdeniy trub v sostave dlitelno ekspluatiruyemykh magistralnykh truboprovodov] [online]. http://vniigaz.gazprom.ru/d7textpage/d3/467/01_melnikova-av.pdf (Russ.).
3. ALIMOV, S.V., A.B. ARABEY, I.V. RYAKHOVSKIKH, et al. Concept for diagnostics and repair of trunk gas pipelines in regions highly inclined to stress corrosion [Kontseptsiya diagnostirovaniya i remonta magistralnykh gazoprovodov v regionakh s vysokoy predraspolozhennostyu k stress-korrozii]. Gazovaya Promyshlennost, 2015, no. 724: spec. is., pp. 10-15. ISSN 0016-5581. (Russ.).
4. RYAKHOVSKIKH, I.V., A.A. KAVERIN, I.G. PETUKHOV, et al. Assessment of dimensions for stress-corrosion cracks during technical diagnosis of gas pipelines [Otsenka razmerov stress-korrozionnykh defektov pri tekhnicheskom diagnostirovanii gazoprovodov]. Vesti Gazovoy Nauki: collected scientific technical papers. Moscow: Gazprom VNIIGAZ LLC, 2020, no. 2 (44): Control of gas pipelines technical status and integrity, pp. 4-14. ISSN 2306-9849. (Russ.).
5. SHEVALDYKIN, V.G., A.A. SAMOKRUTOV. Measuring depth of stress-corrosion cracks in trunk gas pipelines [Izmereniye glubiny stress-korrozionnykh treshchin magistralnykh gazoprovodov]. In: Collected theses of the XXIII Petersburg conference «Ultrasonic flaw detection of metals and advanced materials» (UTM-2019), 28-31 May 2019. St. Petersburg, 2019, pp. 9. (Russ.).
6. SHEVALDYKIN, V.G., A.A. SAMOKRUTOV, Ya.G. SMORODINSKIY. Terms of ultrasonic testing with antenna arrays, and their meanings [Terminy ultrazvukovogo kontrolya s antennymi reshetkami i chto oni oznachayut]. Defektoskopiya, 2018, no. 9, pp. 31-40. ISSN 0130-3082. (Russ.).
7. SAMOKRUTOV, A.A., V.G. SHEVALDYKIN. Ultrasonic tomography of metal structures through digital focusing of antenna array [Ultrazvukovaya tomografiya metallokonstruktsiy metodom tsifrovoy fokusirovki antennoy reshetki]. Defektoskopiya, 2011, no. 1, pp. 21-38. (Russ.).
8. A1550 IntroVisor - a universal ultrasonic tomographic scanner [A1550 IntroVisor - universalnyy ultrazvukovoy tomograf (AKS)]. In: Means of acoustic control [Sredstva akusticheskogo kontrolya]: technical reference book. St. Petersburg, SVEN, 2008, pp. 68-69. (Russ.).
