Применение магнитостатического экранирования для повышения чувствительности дистанционной магнитометрии технического состояния трубопроводов

Венкова Юлия Андреевна; Крапивский Евгений Исаакович

УДК 622.692.4:537.622.4

Ю.А. Венкова, Е.А. Крапивский

ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТОСТАТИЧЕСКОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДИСТАНЦИОННОЙ МАГНИТОМЕТРИИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

Рассмотрен вопрос возможности использовании магнитостатических экранов в дистанционной магнитной диагностике подземных трубопроводов. Проведены эксперименты, которые заключаются в измерении трех составляющих вектора магнитной индукции магнитного поля при различных положениях датчика внутри цилиндрического экрана при различных условиях. Приводится описание применяемого в ходе экспериментальных исследований оборудования, включающего разработанный авторами магнитометр-градиометр и аморфный магнитный экран. В качестве результата авторами были получены графики зависимости коэффициента экранирования Кэкр трех компонент индукции магнитного поля экраном из аморфного сплава цилиндрической формы от угла видимости прибора а, и сделаны выводы о целесообразности применения магнитных экранов для повышения точности мониторинга технического состояния подземных газонефтепроводов по остаточной намагниченности.

Ключевые слова: трубопровод, напряженные состояния, мониторинг, магнитоста-тическое экранирование, феррозондовый магнитометр, коэффициент экранирования, угол видимости.

Напряженные состояния [2,4] и коррозия являются основными причинами снижения надежности магистральных стальных трубопроводов высокого давления. В таких участках обычно происходит изменение остаточной намагниченности с течением времени при развитии напряженных состояний в металле. Проведение мониторинга газонефтепроводов по остаточному магнитному полю позволяется производить контроль развития напряженных состояний и коррозии во времени, вовремя выявить опасные зоны и предотвратить их еще на стадии предразрушения. Технология мониторинга состоит в измерении изменений трех составляющих вектора индукции магнитного поля в различные моменты времени до и после намагничивания внутритрубным снарядом-дефектоскопом не до насы-

щения и размагничивания. На основании этих данных определяется развитие напряженных состояний в металле подземных газонефтепроводов.

Без экранирования датчик магнитного поля «видит» значительный участок трубопровода, что снижает точность диагностики напряженных состояний и коррозионных нарушений. Магнитостатическое экранирование позволяет получить информацию с локального участка трубопровода, что существенно повышает точность диагностики. Поэтому рассмотрим возможности магнитостатического экранирования с помощью материалов с низкими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы Н , но с высокой магнитной проницаемостью ц.

Целью работы является выбор оптимальных условий измерений остаточной намагниченности трубо-

провода феррозондом в магнитоста-тическом экране при максимальном коэффициенте экранирования магнитного поля перпендикулярного к магнитостатическому экрану и минимальному коэффициенту экранирования магнитного поля продольного этому экрану.

Вопросу экранирования магнитных полей посвящено множество работ известных исследователей, среди которых Реутов Ю.Я., Заруди М.Е. и другие. Большим вкладом в формирование теоретических основ магнито-статического экранирования является работа Заруди М.Е. [3], в которой приводятся формулы для расчета тензора коэффициентов экранирования эллипсоидальных магнитостатических экранов, включая сфероидальные и цилиндрические. В работе Реутова Ю.Я. [6] приводятся экспериментальные и расчетные данные коэффициентов экранирования цилиндрических экранов, открытых с обоих концов, и магнитных экранов, составленных из ферри-товых колец. В работе было установлено, что максимального коэффициента экранирования можно достичь при использовании цилиндрических магнитных экранов с отношением толщины стенки к внутреннему диаметру равному 2-3. В другой работе этого автора приводятся данные по исследованиям экранирования магнитных полей сферическими экранами [7]. Было выяснено, что уже при отношении внешнего радиуса к внутреннему равному 1,26 достигается половина теоретически максимального коэффициента, поэтому такое отношение радиусов автор считает оптимальным. В своей работе [5] автор обобщает все теоретические сведения о магнитостатическом экранировании и свои экспериментальные исследования. При анализе существующих работ нами было установленно, что ранее магнитостатическое экранирование не применялось для повыше-

Рис. 1. Вид конструктивной компоновки градиентометра: 1 - штатив, 2 - основание, 3, 5 - шарниры, 4 - поворотный узел, 6 - отсек аккумулятора

Рис. 2. Схема измерительной установки

ния точности диагностики газонефтепроводов.

На базе Горного университета были проведены эксперименты по экранированию магнитного поля. Для измерений использовался феррозондовый магнитометр Р1реМав, включающий:

• датчик градиентометрический,

• пульт градиентометра,

• поддерживающее устройство.

Датчик градиентометриеский представляет трубу из стекопластика длиной 1 м (корпус датчика), в оконечностях которой размещены два трехком-понентных преобразователя индукции магнитного поля. Программное обеспечение позволяет в режиме реального времени визуализировать результаты измерений, заносить в таблицу параметров магнитного поля, два параметра акселерометров и вычислять градиенты индукции магнитного поля. Кроме того предусмотрено измерение низкочастотного переменного магнитного поля (частота до 200 Гц). Осреднение результатов произвольное. [1].

Экранирование производилось с помощью цилиндрического магнитного экрана фирмы «Гаммамет», который изготовлен из аморфного на-нокристаллического сплава с высокой магнитной проницаемостью ГМ 501. Изготовление экранов из аморфных сплавов является перспективным направлением в области изучения магнитостатического экранирования. Такие материалы хорошо выдерживают значительные механические напряжения и пластические деформации без ухудшения своих свойств [5]. Типоразмер экрана К 72x70x500. Внешний диаметр экрана - 72 мм, толщина стенки - 1 мм, длина

цилиндрического экрана - 500 мм. Максимальная относительная магнитная проницаемость ц = 600 000,

1 г т тах

коэрцитивная сила Нс = 0,15 А/м.

Экран был установлен на нижний датчик, как показано на рис. 2 и отцентрирован. Далее экран перемещался вниз, угол видимости датчика при этом уменьшался. В ходе эксперимента нами замерялись 3 векторные составляющие магнитной индукции (х,у,г) и глубина положения датчика относительно кромки цилиндрического экрана. Как видно из рисунка, при помощи тригонометрических формул несложно вычислить угол видимости прибора:

а = 2агс£д ^— У 2И

где И - минимальное из расстояний И1 и И2 от датчика прибора до верхней и нижней кромок цилиндрического экрана относительно пола.

Ниже представлены графики зависимости коэффициента экранирования магнитного поля К от угла види-

жп

316 316 Ш IS 1U 316 31« I*

Рис. 3. Зависимость коэффициента экранирования трех составляющих вектора магнитной индукции поля поля фона от угла видимости: а) х; б) у; в) z

Рис. 4. Зависимость коэффициента экранирования трех трех составляющих вектора магнитной индукции поля стальной трубы от угла видимости: а) х; б) у; в) г

Рис. 5. Зависимость коэффициента экранирования трех составляющих вектора магнитной индукции поля постоянного магнита от угла видимости: а) х; б) у; в) г

мости. Коэффициент экранирования вычисляется, как:

К = —

экр Г} —0

где В - величина индукции магнитного поля снаружи экрана, мкТл, В0 - величина магнитной индукции внутри экрана, мкТл.

На рис. 3 представлены графики зависимости коэффициента экранирования магнитного поля фона от угла видимости для каждой из трех компонент поля в отдельности. Прибор располагался в лаборатории на высоте 60 см от уровня пола. Величина магнитной индукции поля фона вне экрана по х, у, г составляет 8 мкТл, 3 мкТл, 43 мкТл соответственно. Максимальный коэффициент экранирования наблюдается для у-компоненты К = 33 и достигается, ког-

экр 1

да датчик находится в середине экранирующей трубы, при этом минимальный угол видимости достигает 16°. Меньше всего экранируется г-составляющая магнитного поля. Ее максимальный коэффициент экранирования составляется всего К = 11,6. Минимальный

экр

коэффициент экранирования для всех компонент равен 1.

Рис. 4 иллюстрирует экранирование магнитного поля, создаваемого стальной трубой, ось которой перпендикулярна оси Z. Труба располагалась на расстоянии 60 см от датчика. Величина магнитной индукции поля фона вне экрана по х, у, г составляет 11 мкТл, 8 мкТл, 79 мкТл соответственно. Максимальный коэффициент экранирования достигается при наименьшем угле по х-компоненте

и равен Кэкр = 56. Коэффициент экранирования при крайнем верхнем положении датчика достигает 1,84.

На рис. 5 представлены зависимости коэффициента экранирования компонент поля постоянного магнита от угла видимости. Магнит располагался непосредственно под датчиком на расстоянии 60 см. Величина магнитной индукции поля постоянного магнита вне экрана по х, у, 2 составляет 12 мкТл, 16 мкТл, 112 мкТл соответственно. Максимальный коэффициент экранирования при минимальном угле видимости достигается по у-компоненте и составляет К = 81.

-7 экр

Выводы

1. Для исследования малых магнитных полей необходимо экранирование магнитного поля, которое может осуществляться экранами специальной конструкции с высокой маг-

нитной проницаемостью. Наиболее перспективными для применения в качестве магнитостатических экранов являются аморфные сплавы

2. Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о возможности применения цилиндрических экранов для измерения слабых магнитных полей, которые имеют место при возникновении напряженных состояний в трубопроводе.

3. Использование магнитостатиче-ских экранов, размещенных на трех-компонентных датчиках магнитного поля позволяет на величину Кэкр увеличить точность измерений.

4. При известном угле видимости измерительного прибора, экранируемого магнитным экраном, возможно более точное определение местоположение дефектов, напряженных состояний трубопровода и его глубины заложения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Градиентометр HB0204.5A. Комплект эксплуатационных документов. ООО «НПО ЭНТ». 35 с.

2. Дубов A.A. Диагностика стальных труб с использованием магнитной памяти металла. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 111 с.

3. Заруди М.Е. Элипсоидальный магни-тостатический экран // Электричество. -984. - № 1. - С. 29-32.

4. Крапивский Е.И., Некучаев В.О. Дистанционная магнитометрия газо-, нефте-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

проводов: учебное пособие. - Ухта: УГТУ, 2011. - 142 с.

5. Реутов Ю.Я. Классические магнитные экраны. - Екатеринбург: Нисо УрО РАН, 2006. - 72 с.

6. Реутов Ю.Я. Магнитостатические экраны из ферритовых колец // Дефектоскопия. - 1999. - № 5. - С. 13-17.

7. Реутов Ю.Я. Оптимизация соотношения размеров одиночного сферического магнитного экрана // Дефектоскопия. -1999. - № 3. - С. 31-35. ЕШЗ

Венкова Юлия Андреевна - аспирант, e-mail: ju_letta@mail.ru,

Крапивский Евгений Исаакович - доктор геолого-минералогических наук, профессор, e-mail: eikrapivsky@mail.ru,

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

UDC 622.692.4:537.622.4

USING THE MAGNETOSTATIC SCREENING TO IMPROVE THE REMOTE DIAGNOSTICS OF THE TECHNICAL CONDITION SENSITIVITY

Venkova Ju.A., Graduate Student, e-mail: ju_letta@mail.ru,

Krapivskiy E.I., Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, e-mail: eikrapivsky@mail.ru, National Mineral Resource University «University of Mines».

The issue about using the magnetostatic screens in the remote diagnostics of the underground pipelines is considered in the article. The monitoring technology of the underground pipeline technical condition judging by the residual magnetic field is described. The necessity of using the magnetostatic screens to improve the accuracy of the stress states, small size defects and the oil and gas pipeline laying depth determination using the magnetic field flux-gate sensor are substantiated. The investigating works of magnetostatic screening is analyzed (Reutov Y. , Zarudi M. etc.). It is found, that magnetic screens weren't previously used to improve the accuracy of the remote magnetic diagnostics. Experiments of the measuring the magnetic field induction with three components at the different positions of the sensor inside the cylindrical screen under the various conditions were carry out. The description of the experimental research equipment, including the developed by the authors magnetometergradiometer and the amorphous magnetic screen is given. As a result, we gave the line charts of the magnetic field induction three components screening coefficient KaKp by the amorphous cylindrical screen dependence on the device angle of visibility a and it was concluded that feasibility of using the magnetic screens can be applied to improve the accuracy of underground oil and gas pipelines monitoring judging by the residual magnetization.

Key words: pipeline, stress states, monitoring, magnitostatic screening, flux-gate magnetometer, screening coefficient, angle of visibility

REFERENCES

1. Gradientometr HB0204.5A. Komplekt jekspluatacionnyh dokumentov (Gradiometer HB0204.5A. Set of the operational documents, «NPO ENT»), 35 p.

2. Dubov A.A. Diagnostika stal'nyh trub s ispol'zovaniem magnitnoj pamjati metalla (Diagnostics of the steel pipes using the metal magnetic memory), Moscow, Jenergoatomizdat, 1995, 111 p.

3. Zarudi M.E. Jelektrichestvo, 1984, no 1, pp. 29-32.

4. Krapivskij E.I., Nekuchaev V.O. Distancionnaja magnitometrija gazo-, nefteprovodov: uchebnoe poso-bie (The remote magnetometry gas, oil pipelines: a tutorial), Ukhta, UGTU, 2011, 142 p.

5. Reutov Ju.Ja. Klassicheskie magnitnye jekrany (Classic magnetic shields), Ekaterinburg, Niso UrO RAN, 2006, 72 p.

6. Reutov Ju.Ja. Defektoskopija, 1999, no 5, pp. 13-17.

7. Reutov Ju.Ja. Defektoskopija, 1999, no 3, pp. 31-35.

A

РИСУЕТ ДАРЬЯ АБРЕНИНА

HTO 6H MM aenanH 6e3 KHHr?