CC BY
82
УДК 622.692.4.004.6
ВНУТРИТРУБНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТРУБОПРОВОДА ПРИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ
Ф.М. МУГАПЛИМОВ, д.т.н., проф., генеральный директор
ООО НТФ «ВОСТОКнефтегаз» (Россия, 450027, Республика Башкортостан, Уфа, ул. Трамвайная, д. 2/4, офис 513). E-mail: mugallimov@mail.ru
А.А. АБДУЛЛАЕВ, директор
ООО «УНТЦ «Бинапро» (Россия, 450104, Республика Башкортостан, Уфа, ул. Российская, д. 25).
Н.А. КОЗИН, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа
ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д.1). E-mail: nakozeen@gmail.com
Напряженно-деформированное состояние трубопроводов обуславливается наличием зон с большой концентрацией напряжений. Выявить напряженно-деформированное состояние трубопровода можно применяя метод неразрушающего контроля - метод магнитной памяти металла. Это метод неразрушающего контроля, основанный на анализе распределения собственного магнитного поля рассеяния изделия на его поверхности для определения зон концентрации напряжений, дефектов и неоднородности структур металла и сварных соединений. К сожалению, в настоящее время на практике этот метод контроля во внутритрубных приборах не реализован. В статье рассмотрена возможность выявления участков с напряженно-деформированным состоянием изнутри трубы методом магнитной памяти металла. В результате исследования экспериментальным путем доказано, что выявлять участки трубопровода с напряженно-деформированным состоянием методом неразрушающего контроля, в частности методом магнитной памяти металла изнутри возможно.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, дефекты геометрии труб, наружная диагностика, внутритрубная диагностика, магнитная память металла, магнитное поле Земли, магнитометрический метод
I ктуальность работы. Под действием температурных воздействий, просадки грунта и в процессе строительно-монтажных работ на некоторых участках трубопровода возникает напряженно-деформированное состояние. Возникновение напряженно-деформированного состояния трубопровода может привести к последующему разрушению труб, что влечет за собой значительные потери перекачиваемого продукта и загрязнение окружающей среды. Обнаружение и предотвращение напряженно-деформированного состояния трубопровода на сегодняшний день является актуальной задачей.
Выявить напряженно-деформированное состояние трубопровода можно применяя метод магнитной памяти металла - метод неразрушающего контроля, основанный на анализе распределения собственного магнитного поля рассеяния изделия на поверхности изделия для определения зон концентрации напряжений, дефектов и неоднородности структур металла и сварных соединений. При этом метод магнитной памяти металла, кроме раннего обнаружения развивающегося дефекта, дополнительно дает информацию о фактическом напряженно-деформированном состоянии объекта контроля
и выявляет причину образования зоны концентрации напряжения - источника развития повреждений [1]. К сожалению, применение метода магнитной памяти металла во внутритрубных приборах в настоящее время не практикуется.
Геомагнитное поле внутри трубы отсутствует, так как оно экранируется металлическими стенками трубопровода. Таким образом, трубопровод выступает в качестве ферромагнитного экрана.
Ферромагнитный экран - лист, цилиндр, сфера или оболочка иной формы из материала с высокой магнитной проницаемостью, низкой остаточной индукцией Вг и малой коэрцитивной силой Нс. Принцип действия такого экрана можно проиллюстрировать на примере полого цилиндра, помещенного в однородное магнитное поле (рис. 1).
Линии индукции внешнего магнитного поля Ввнеш при переходе из среды с магнитной пронициаемостью ц. « \1экр в материал экрана заметно сгущаются, а в полости цилиндра густота линий индукции уменьшается, то есть поле внутри цилиндра оказывается ослабленным. Ослабление поля описывается формулой
Рис. 1. Экранирующее действие трубопровода
1 - внешняя поверхность трубы;
2 - внутренняя поверхность трубы
Рис. 2. Макет внутритрубного снаряда (прибор для испытаний) 1 - антенна прибора «Зонд-скан»; 2 - шайба 3 - резиновые втулки; 4 - резиновый диск
В,
внутр
D
Вв
где О - диаметр цилиндра, с1 - толщина его стенки, \хэкр -относительная магнитная проницаемость материала стенки.
Для расчета эффективности магнитного экрана объемов различной конфигурации часто используют формулу
eJBBHymp = 0,22цэф[1 - (1 - dlR34)\
где ЯЭф - радиус эквивалентной сферы (практически среднее значение размеров экрана в трех взаимно перпендикулярных направлениях, так как форма экрана мало влияет на эффективность магнитного экранирования) [2].
Таким образом, если относительную магнитную проницаемость стали принять равной 100, то трубопровод диаметром 426 мм и толщиной стенки 9 мм будет являться мощным магнитным экраном, то есть действие геомагнитного поля внутри стальной трубы действительно будет несущественным.
Со временем участки трубопровода с напряженно-деформированным состоянием намагничиваются геомагнитным полем Земли. Это явление было изучено и изложено доктором технических наук, основателем компании «Энергодиагностика» A.A. Дубовым, который внес большой вклад в разработку метода неразрушающего контроля - метода магнитной памяти металла. Подробнее об этом явлении можно почитать в его печатном труде [1]. Предполагается, что намагниченные участки трубопровода с напряженно-деформированным состоянием можно регистрировать методом магнитной памяти металла не только снаружи, но и изнутри трубы. Для того чтобы проверить данное предположение, было проведено стендовое экспериментальное
исследование напряженно-деформированного состояния трубопровода изнутри трубы.
Испытание заключалось в проведении магнитометрического контроля трубы изнутри и расшифровке полученных данных.
Объектом испытаний являлся вну-тритрубный снаряд, основа которого - антенна прибора «Зонд-скан», разработанного ООО УНТЦ «Бинапро». Прибор «Зонд-скан» применяется для бесконтактного магнитометрического контроля трубопроводов снаружи с поверхности грунта.
Прибор выполнен в корпусе из ударопрочного полистирола. На передней панели расположены кнопки управления, жидкокристаллический экран. На боковой стороне прибора расположены разъемы подключения антенны, зарядного устройства и иБВ-порт для подключения флеш-карты. Контролируемая информация отображается на графическом жидкокристаллическом экране. Элементы антенны выполнены из немагнитного материала.
Прибор отображает относительную величину градиента магнитного поля над обследуемым трубопроводом и его полярность.
Посторонние ферромагнитные металлические предметы, удаленные от трубы и не способные воздействовать на магнитное поле трубопровода, на магнитном фоне трубы экранируются и существенных помех на работу прибора «Зонд-скан» не оказывают. Кроме того, такие предметы создают сигнал скачкообразного вида небольшой протяженности, а сигналы с трубопровода имеют распределенный характер так как магнитопрово-дящий материал трубопровода более плавно распределяет сигнал вдоль трубопровода [3].
Антенна прибора «Зонд-скан» послужила основой внутритрубного снаряда, изготовленного специально для проведения эксперимента (рис. 2).
Корпус антенны 1 представляет собой пластиковую трубку диаметром 50 мм и длиной 240 мм, которая с двух концов закрыта пластиковыми заглушками. На корпус насажены два резиновых диска 4, которые удерживаются шайбами 2. Между дисками расположены шесть резиновых втулок (проставочные диски) 3 по всему периметру трубы. Снаряд в стенде (трубопроводе) протягивается
Рис. 3. Схема испытательного стенда, на котором указано расположение дефектов геометрии трубы и ее сварных стыков д - дефект; ст - сварной стык
ст1
д1 д2 / д3 д4 ст2
ст3
0 0,56 1,25\2,24 2,96 4,27 1,39
7,14
10 м
14
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ И УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
Рис. 4. Труба с дефектами для стендовых испытаний
Рис. 5. Момент начала проведения испытания
канатом, который закреплен на дисках снаряда. В качестве стенда испытаний была использована стальная труба 0219 с толщиной стенки 8 мм и длиной 10 м, на которой имеются четыре дефекта (вмятины д1, д2, дЗ и д4) и три поперечных сварных шва (ст1, ст2 и стЗ).
Схематично стенд представлен на рис. 3. Фото стенда представлены на рис. 4 и 5.
Методика испытания. Перед проведением испытания необходимо убрать все металлические предметы, находящиеся рядом с трубой в радиусе 2 м. Макет снаряда вместе с прибором «Зонд-скан» (см. рис. 5) тянется вручную внутри трубы с равномерной скоростью. В момент начала движения макета внутритрубного снаряда и прибора включается секундомер, а в момент окончания движения показание фиксируется.
Испытание проводилось три раза. Результаты испытаний были записаны на флеш-карту и затем обработаны на компьютере с помощью специального программного обеспечения.
Результаты исследований. Макет внутритрубного снаряда находился в трубе в среднем 13,5 с. Средняя скорость движения макета снаряда - 0,7 м/с. Результаты испытания показаны на графиках (рис. 6, 7 и 8).
На представленных графиках видно, что прибор зарегистрировал магнитные аномалии металла стенок труб непосредственно в местах расположения дефектов (д1, д2, дЗ и д4) и сварных стыков (ст1, ст2 и стЗ) внутри самой трубы.
Выводы и заключения. Таким образом, можно сделать вывод, что регистрация напряженно-деформированного состояния магнитометрическим методом внутри трубопровода возможна. Очевидно, что если бы при исследовании трубы использовался прибор, принцип которого основан на применении метода магнитной памяти металла, он бы таким же образом зарегистрировал зоны концентрации напряжений внутри трубы - эти методы идентичны. В связи с полученными результатами можно утверждать, что выявление участков трубопровода с напряженно-деформированным состоянием внутритруб-ными приборами, в основе которых будет заложен метод магнитной памяти металла, также возможно.
Рис. 6. Результаты исследования напряженно-деформированного состояния изнутри трубы-стенда (первый запуск макета снаряда): д - дефект; ст - сварной стык
В, нТл 2178,9
1938,9
1698,9
1458,9
1218,9
978,9
738,9
498,9
258,9
0
Рис. 7. Результаты исследования напряженно-деформированного состояния изнутри трубы-стенда (второй запуск макета снаряда): д - дефект; ст - сварной стык
В, нТл 2174,4
1934,4
1694,4
1454,4
1214,4
974,4
734,4
494,4
254,4
0
Ц, м
Рис. 8. Результаты исследования напряженно-деформированного состояния изнутри трубы-стенда (третий запуск макета снаряда): д - дефект; ст - сварной стык
В, нТл + 2179,8
1939,8
1699,8
1459,8
1219,8
979,8
739,8
499,8
259,8
0
Ц, м
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Метод магнитной памяти металла. История возникновения и развития/А.А. Дубов-М.: ФПУП Изд-во «Известия» УД П РФ, 2011. 256 с.
2. Физическая энциклопедия: В 5 т. - М.: Советская энциклопедия, 1988.
3. Прибор для обнаружения несанкционированных врезок в трубопровод и дефектов трубопровода «Зонд-Скан». Паспорт и техническое описание /А.А. Абдулаев. - Уфа: ООО «Уральский научно-технический центр «Бинапро», 2015.19 с.
4. Опыт применения бесконтактного магнитометрического метода диагностики трубопроводов / В.П. Горошевский // Индустрия. 2003. № 2. С. 32-34.
MAGNETIC FIELD SURVEY OF THE PIPELINE FROM THE INSIDE IN STRESS-DEFORMED CONDITION
MUGALLIMOV F.M., Dr. Sci. (Tech.), Prof., General Director
Liability Company Scientific and technical firm «VOSTOKneftegas» (2/4, Tramway St., 450027, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: mugallimov@mail.ru ABDULLAEV A.A., Director
Ural scientific and technical center «BENAPRO» (25, Russian St., 450104, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). KOZIN N.A., Post-graduate student of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: nakozeen@gmail.com
ABSTRACT
The stress-strain state of pipelines is characterized by the presence of areas with a high concentration of stresses. To detect stress-strain state of the pipeline, you can use the method of non-destructive testing «the method of metal magnetic memory.» This method of non-destructive testing based on an analysis of the distribution of the magnetic field on the surface of the product to determine the stress concentration zones, defects and inhomogeneous structure of metal and welded joints. In our days during the in-line Inspection this method of control Is not used.
The article discusses the possibility of identifying areas with the stress-strain state inside the pipe by method of metal magnetic memory. Research has shown that Identifying areas of the pipeline with the stress-strain state by method of metal magnetic memory from the inside is possible.
Keywords: Stress-strain state, pipe geometry defects, external diagnostics, in-tube diagnostics, metal magnetic memory, geomagnetic field, magnetometrical method.
REFERENCES
1. Dubov A.A. Metod magnitnoy pamyati metalla. Istoriya vozniknoveniya i razvitiya [Method of metal magnetic memory. The history of the emergence and development], Moscow, FGUP Izdatelstvo «Izvestiya» Publ., 2011. 256 p.
2. Fizicheskaya entsiklopediya. V 51. [Physical Encyclopedia], Moscow, Sovetskaya Entslklopedlya Publ., 1988.
3. AbdulaevA.A., Pribor dlya obnaruzheniya nesanktsionirovannyih vrezok v truboprovod i defektov truboprovoda «Zond-Skan». Pasport i tehnicheskoe opisanie [A device for detecting unauthorized penetrations into the pipe, and defects in the pipeline «Zond-Scan». Passport and technical description], Ufa, ООО «Uralskiy nauchno-tehnicheskiy tsentr «Binapro» Publ., 2015.19 p.
4. Goroshevskiy V.P. Experience of using a non-contact magnetometric diagnostics pipeline method. Industriya, 2003, no. 2, p. 32-34 (In Russian).
