CC BY
93
е
64
ДИАГНОСТИКА
4/Н (69) август 2008 г. ЭКСПОЗИЦИЯ
В настоящей статье предлагается описание оборудования для контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) технологических и магистральных трубопроводов и несущих металлоконструкций, Здесь представлены: средство оперативного контроля НДС - магнитошумовой анализатор напряжений и структуры металлов ИНТРОСКАН и оборудование для стационарных систем мониторинга напряжений (СМОН) трубопроводов и несущих металлоконструкций компрессорных станций (КС) на основе струнных датчиков деформации (СДД).
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ
НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ И МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
Б.Н. АНТИПОВ
A.М. АНГАЛЕВ
B.Л. ВЕНГРИНОВИЧ Ю.П. ПАНЬКОВСКИЙ В.Л. ЦУКЕРМАН
генеральный директор ДОАО «Оргэнергогаз» ОАО «Газпром»
директор ИТЦ «Оргтехдиагностика» ДОАО «Оргэнергогаз» ОАО «Газпром»
д.т.н., научный руководитель ООО «НПФ «Диагностика», г минск
главный специалист ООО «Фирма РКК» г москва
главный конструктор ООО «НПФ «Диагностика» г минск
Одним из наиболее достоверных и приемлемых по критерию цена-качество методов оперативного контроля остаточных и приложенных механических напряжений зарекомендовал себя магнитошумовой метод, основанный на эффекте смещения доменных границ в ферромагнетиках под воздействием изменяющегося магнитного поля. Этот эффект назван по имени немецкого физика Генриха Баркгаузена, открывшего его в 1919 г. Для возбуждения и регистрации в исследуемом ферромагнитном материале магнитного шума Барк-гаузена (ШБ) используются накладные датчики-преобразователи. Двухполюсный электромагнит датчика создает в прилегающей к датчику области исследуемого объекта переменное магнитное поле, возбуждающее скачки намагниченности, в результате чего в приёмной катушке датчика возникает шумовой сигнал, регистрируемый прибором. Уровень магнитного шума зависит от свойств и состояния кристаллической решётки, в том числе от механического напряжения. В большинстве сталей при растяжении интенсивность ШБ возрастает, при сжатии - падает. На этом свойстве и основано применение магнитошумового метода для контроля НДС.
Магнитошумовой анализатор напряжений и структуры металлов ИНТРОСКАН (номер регистрации в госреестре средств измерений 27094-07), имеет, по сравнению с известными зарубежными и отечественными аналогами, ряд принципиальных преимуществ. К ним относятся: гарантированная идентичность параметров датчиков, возможность работы в режиме стабилизации магнитного потока (что позволяет существенно снизить влияние подготовки поверхности на результаты измерений), возможность измерения угловой зависимости (круговой диаграммы) ШБ путем вращения вектора магнитного поля возбуждения с помощью 4-полюсного датчика. ИНТРОСКАН имеет встроенный компьютер с цветным ЖК-дисплеем и операционной системой Windows-CE, что обеспечивает широкие возможности при подготовке, проведении и обработке измерений.
Внешний вид прибора ИНТРОСКАН показан на рис. 1.
Основным информативным параметром магнитошумового метода является интенсивность (спектральная плотность) магнитного шума. Этот параметр, регистрируемый в относительных единицах (о.е.), зависит как от свойств кристаллической
структуры материала, так и от механического напряжения, остаточного или приложенного. Т.к. датчик позволяет проводить измерения в разных направлениях, определяемых направлением вектора поля намагничивания, поворотом датчика направление контролируемых напряжений может быть задано. Толщина слоя «участвующего» в генерации магнитного шума, в зависимости от режимов измерения, может меняться от нескольких мкм до 1 мм. На основе этих свойств прибор, при условии методического разрешения неопределенности измерения, способен контролировать довольно широкий спектр свойств ферромагнитных материалов при наличии корреляционной связи между ШБ и физико-механическими характеристиками.
Структурные неоднородности, приложенные и остаточные напряжения легко выявляются обнаружением зон относительного изменения уровня ШБ и ориентации направлений максимумов и минимумов его уровня. Прибор позволяет контролировать параметры образцов в абсолютных единицах; при этом необходимо проведение простой предварительной калибровки прибора на образцах с известными значениями этих параметров. Для измерения в абсолютных ►
Рис.1. Внешний вид магнитошумового анализатора напряжений и структуры металлов ИНТРОСКАН а) - в базовой комплектации, с питанием от сети 220В/50Гц; б) - в комплектации для мобильного использования, в сумке-чехле, с питанием от аккумуляторной батареи 12 В.
Ф
ЭКСПОЗИЦИЯ 4/Н (69) август 2008 г.
ДИАГНОСТИКА
65
Рис. 2. а) СДД, установленный на трубопроводе обвязки газоперекачивающего агрегата (в нижней части снимка - ПУС); б) БС в составе КИК
единицах приложенных напряжении калибровка должна производиться на растягиваемых/сжимаемых или изгибных образцах с известными нагрузками в пределах диапазона упругих деформации.
Для расширения возможностей прибора создано специальное программное обеспечение для внешнего компьютера, функционирующее в среде WIN95/98/NT/ МЕ/2000/ХР. Оно позволяет автоматизировать процесс управления работой прибора, обмениваться данными между прибором и программой, редактировать и сохранять данные в файловой системе персонального компьютера, строить калибровочные кривые. Управление прибором при этом осуществляется через устройство инфракрасной связи Tekram IR-210, а в новой модификации прибора - по интерфейсу USB.
Для стационарных систем мониторинга напряжённо-деформированного состояния технологических трубопроводов и несущих металлоконструкций компрессорных станций разработан комплект оборудования на основе струнных датчиков деформации (СДД). В комплект оборудования, кроме датчиков, входят блоки сопряжения (БС), коммутационно-измерительные колонки (КИК) и диспетчерский терминал. В систему постоянного мониторинга могут входить до 992 датчиков, передача информации от которых на диспетчерский терминал производится по стандартному интерфейсу RS-485.
В случае самостоятельного применения датчиков вне системы, периодический съём информации осуществляется оператором вручную с помощью переносного устройства считывания (ПУС). При установке вне системы электропитание датчиков не требуется.
Конструктивное исполнение датчиков обеспечивает возможность расположения их во взрывоопасной зоне (вид маркировки взрывозащиты, согласно ГОСТ Р51330.0-99, - 1Ех№ИАТ4). Блок сопряжения для связи со струнными датчиками имеет искробезопасные цепи уровня «Ь» (вид маркировки Ех^МА).
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ СМОН
Струнные датчики деформации размещаются на стенках трубопроводов или поверхностях напряжённых участков металлоконструкций и предназначены для измерения деформаций и передачи соответствующей информации по общей шине RS-485 на блок сопряжения.
Блоки сопряжения размещаются в КИК и предназначены для съёма информации с датчиков и передачи её по общей шине на стационарный терминал постоянного мониторинга.
Коммутационно-измерительные колонки предназначены для защиты размещённых в них блоков сопряжения и стыковочных узлов от воздействия факторов окружающей среды.
Диспетчерский терминал - по интерфейсу RS-485, через блоки сопряжения, входящие в состав оборудования системы контроля НДС, обеспечивает опрос состояния датчиков и формирует массив данных, содержащий, с временной привязкой, информацию о деформации и температуре в контролируемых точках.
Переносное устройство считывания предназначено для использования на удалённых участках трубопроводов для установки начальных параметров и съёма информации о состоянии одиночных, не включённых в систему мониторинга, датчиков, а также для использования в стационарных системах мониторинга как средство настройки датчиков при монтаже и диагностики их работоспособности при эксплуатации системы.
Принцип действия струнных датчиков основан на изменении частоты автоколебаний стальной струны, натянутой в поперечном магнитном поле между двумя жёстко закреплёнными на контролируемом объекте опорными точками, происходящем при изменении расстояния (измерительной базы датчика) между этими опорными точками под воздействием продольных нагрузок сжатия или растяжения. Частота колебаний струны регистрируется с помощью индукционной катушки, сигнал оцифровывается и по внешнему запросу информация передаётся на выход датчика. Конструкция СДД устойчива к механическим воздействиям, влиянию факторов окружающей среды, проникновению влаги; обеспечивает крепление к трубопроводу на двух шпильках с резьбой М6, привариваемых к поверхности трубы конденсаторной контактной сваркой, что позволяет вести монтажные работы не прекращая прокачки газа.
Оснащение первого объекта оборудованием СМОН на основе СДД было произведено в ноябре 2005 г. В настоящее время этими системами оснащены около десятка КС в различных регионах РФ.
На рис. 2 показаны СДД и БС в составе КИК, установленные на ДКС на одном из газодобывающих предприятий Крайнего Севера.
На рис. 3 показаны датчики на трубопроводе и несущей металлоконструкции установки подготовки газа к транспортировке (УПГТ) в Краснодарском крае. ■
Рис. 3. а) СДД, установленные в двух продольных плоскостях на трубопроводе входа газа УПГТ (в нижней части снимка - ПУС); б) СДД на несущей балке металлоконструкции
