XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Наибольшую опасность для технического состояния трубопроводов имеют трещиноподобные дефекты сварных соединений. Их возникновение и развитие обусловлено структурно–механической и электрохимической неоднородностью самих сварных соединений, наличием в них микродефектов и остаточных сварочных напряжений. В связи с изложенным, при проведении экспертизы промышленной безопасности трубопроводов нефтегазоперерабатывающих предприятий особое значение имеет задача выявления скрытых трещиноподобных дефектов сварных соединений.

Для решения вышеупомянутой задачи чаще всего используются следующие виды неразрушающего контроля (НК): радиационный, магнитный, вихретоковый и акустический, основанные на различных физических явлениях. Каждый из указанных видов, в свою очередь, разделяется на методы, которые классифицируются в соответствии с ГОСТ 18353–79 [2] по ряду признаков: характеру взаимодействия физических полей с контролируемым объектом, первичным информативным параметрам и способам получения первичной информации. Кроме того, иногда вводятся дополнительные признаки: по типу применяемых преобразователей (детекторов), схемам проведения контроля и пр. Такая классификация является достаточно сложной и разветвлённой. Более удобной для последующего анализа является система классификации, в основе которой лежит деление методов НК на активные и пассивные по факту их влияния на состояние и свойства материала трубопроводов. Первые предполагают возбуждение в трубопроводе и последующую регистрацию соответствующего физического поля, параметры которого изменяются при взаимодействии с трещиноподобными дефектами. Вторые основаны только на регистрации изменений состояния трубопровода, вызванных развитием трещиноподобных дефектов в процессе эксплуатации трубопровода. Следует особо отметить, что в этой системе классификации представлены только те методы, которые имеют возможность технической реализации при контроле трубопроводов. Внутри групп существует деление по наиболее значимым для каждой конкретной группы признакам. Почти все методы, за исключением метода АЭ, относятся к активным. Последние могут использовать различные варианты взаимодействия физического поля с объектом: прохождение и отражение от него, а также их комбинацию [2].

Контроль вышеперечисленными видами может осуществляться контактным и бесконтактным способами, с внутренней и наружной поверхности трубопроводов, в ручном и автоматическом режиме, с использованием аналогового и аналого–цифрового способов обработки информации и т. д. Данные признаки положены в основу классификации соответствующих средств НК.

Дальнейший анализ методов и средств НК, используемых для выявления скрытых трещиноподобных дефектов сварных соединений трубопроводов, осуществляется в соответствии с приведёнными системами классификации.

Радиационные методы основаны на регистрации излучения, прошедшего через сварное соединение. При наличии трещиноподобного дефекта в сварном соединении плотность материала в его зоне отличается от плотности прилегающего бездефектного материала, что ведёт к изменению параметров проникающего излучения. Как правило, при радиационном контроле с одной стороны трубопровода размещают источник излучения, а с противоположной – детектор. Проникающее излучение, взаимодействуя с детектором, изменяет его физическое или химическое состояние. Следует отметить, что наиболее распространены рентгенографический и гаммаграфический методы контроля с фиксацией результатов на рентгеновскую плёнку. При попадании излучения на плёнку в ней происходят физико–химические превращения, которые отображают распределение интенсивностей потока излучения. С помощью радиационных методов можно обнаружить трещиноподобные дефекты минимальным размером 0,1–0,5 мм. Конкретное значение чувствительности определяется толщиной стенки трубопровода, интенсивностью излучения, временем экспозиции, расстоянием от источника до поверхности трубопровода. Относительная погрешность измерения длины и глубины трещиноподобных дефектов различается: для первого из указанных параметров она, как правило, не превышает 5%, тогда как для второго может составлять 13–30% [3].

Несомненным преимуществом радиационных методов и средств является то, что регистрация на плёнку дает наглядное представление о размерах трещиноподобных дефектов. Результаты контроля в документальном виде можно хранить длительное время и возвращаться к ним при необходимости. Кроме того, результаты не зависят от внутренней структуры материала (размера зерна) и изотропности механических свойств.

Недостатком радиационных методов и средств является ограниченная возможность их применения в процессе эксплуатации трубопровода (на степень поглощения радиоактивного излучения сильно влияет плотность транспортируемых сред, а также существуют ограничения по температуре поверхности контролируемых трубопроводов). Поэтому радиационные методы и средства применяются для контроля сварных соединений, как правило, во время монтажа и ремонта трубопроводов. При этом в зависимости от диаметра трубопровода могут быть использованы как переносные рентгеновские и гамма–дефектоскопы, так и внутритрубные самоходные установки (кроулеры). Результаты контроля радиационными методами зависят от субъективных факторов: свойств детектора, направления и схемы просвечивания, расположения и ориентации трещиноподобных дефектов в материале трубопровода. Радиационные методы, к сожалению, подходят только для локального контроля трубопроводов, не позволяют прогнозировать развитие трещиноподобных дефектов, а генерируемое излучение представляет опасность для персонала, обслуживающего эти приборы [2].

Магнитные методы основаны на взаимодействии магнитного поля, создаваемого в материале сварного соединения трубопровода с дефектами, вносящими искажение в картину генерируемого поля. Как правило, трубопроводы намагничивают с помощью статических или низкочастотных полей и затем исследуют изменение их параметров. Для намагничивания может использоваться постоянный магнит, электромагнит, соленоид, а для регистрации градиента поля, вызванного трещиноподобными дефектами – преобразователи Холла, магнитная лента, феррозонды и другие устройства (или вещества), реагирующие на изменение магнитного потока. Магнитные методы в производственных условиях позволяют выявлять трещиноподобные дефекты протяжённостью более 0,5 мм и глубиной более 0,02 мм. Конкретное значение чувствительности определяется параметрами создаваемых магнитных полей, магнитными характеристиками металла трубопровода и способом регистрации. Погрешность измерения размеров дефекта зависит от его расположения относительно направления магнитного потока, скорости сканирования, числа и типа преобразователей, алгоритма обработки сигналов и может составлять 10–20% по длине и 20–30% по глубине.

Контроль магнитными методами и средствами может проводиться без остановки трубопровода, на параметры магнитного поля не оказывают влияния температура, давление, влажность окружающей среды, а также физико–химические свойства транспортируемого продукта. Контроль может осуществляться с высокой скоростью (до 4–5 м/с для внутритрубных средств), контактным и бесконтактным способами, при одностороннем доступе к поверхности трубопровода. Магнитные методы обладают довольно высокой чувствительностью и безопасны для персонала. Для контроля трубопроводов больших диаметров и значительной протяжённости могут быть использованы внутритрубные магнитные дефектоскопы. Они удобны в настройке и надёжны в эксплуатации, имеют автономное питание, работают в автоматическом режиме.

Однако, магнитные методы и средства имеют ряд существенных недостатков. Выявляемость ими трещиноподобных дефектов ухудшается при увеличении глубины их залегания в сварном соединении трубопровода. Для использования магнитных методов контролируемый участок необходимо сначала намагнитить, а затем размагнитить. При контакте некоторых детекторов (магнитной плёнки) с поверхностью к последней предъявляются особые требования: она должна быть тщательно очищена и обезжирена, не иметь острых выступов и капель металла, а уровень шероховатости не должен превышать 1 мм. При сканировании трубопровода изнутри надёжное обнаружение трещиноподобных дефектов возможно только при использовании большого числа преобразователей, что ведёт к усложнению алгоритмов обработки информации. Методы неустойчивы к электрическим и магнитным помехам, не позволяют прогнозировать развитие трещиноподобных дефектов [4].

Вихретоковые методы основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с полем вихревых токов, возбуждаемых в сварных соединениях трубопроводов. Для их возбуждения используется электромагнитное поле высокой частоты, образующееся при пропускании через индуктивные преобразователи синусоидального или импульсного токов. При наличии трещиноподобного дефекта поле вихревых токов в его зоне меняется, что приводит к изменению электрического сопротивления или электродвижущей силы измерительной обмотки катушек преобразователей. Чувствительность вихретоковых методов позволяет выявить трещиноподобные дефекты с минимальной длиной 0,5–1,0 мм и минимальной глубиной 0,1–0,2 мм. Конкретное значение чувствительности определяется параметрами внешнего электромагнитного поля, магнитной проницаемостью материала трубопровода, его удельной электрической проводимостью, геометрическими параметрами (толщиной, диаметром) трубопровода, степенью шероховатости поверхности. Погрешность измерения размеров трещиноподобного дефекта зависит от его расположения относительно направления сканирования, его ориентации в сварном соединении, типа и размера используемых преобразователей, алгоритма обработки и может составлять от 10 до 30%.

Вихретоковый контроль может проводиться без остановки трубопровода, на результаты контроля практически не влияют температура, давление и влажность окружающей среды, а также наличие неметаллического покрытия на поверхности трубопроводов. Вихретоковые методы безопасны для обслуживающего персонала. Для их применения достаточно одностороннего доступа к поверхности, а контроль возможен бесконтактным способом при больших (до 2 м/с) скоростях перемещения преобразователей. Последние имеют простую и надёжную конструкцию, устойчивы к механическим воздействиям. Контроль трубопроводов вихретоковыми методами, как правило, проводится снаружи с использованием дефектоскопов, работающих, как в ручном, так в автоматическом режимах [1].

К недостаткам вихретоковых методов относится зависимость их чувствительности от изменения магнитных свойств трубопровода и наличия в нём зон с различной электропроводностью. Указанные параметры, в свою очередь, зависят от химического состава металла трубопровода, поэтому даже незначительные изменения содержания углерода или легирующих элементов могут снизить выявляемость дефектов. Кроме того, вихретоковые методы плохо выявляют трещиноподобные дефекты, залегающие глубоко (более 4 мм) от контролируемой поверхности и с параллельной ей плоскостью раскрытия. Большим недостатком вихретоковых методов является трудность различения полезного сигнала на фоне помех, обусловленных зависимостью методов от многих параметров – формы контролируемого объекта, шероховатости его поверхности, взаимного расположения преобразователей и объекта. Например, изменение зазора между накладным преобразователем и поверхностью трубопровода на 0,1–0,3 мм приводит к значительной погрешности в измерениях и требует применения специальных приёмов для компенсации такого влияния. Вихретоковые методы и средства не обладают возможностью оценки динамики развития трещиноподобных дефектов в процессе эксплуатации трубопроводов.

Акустические методы, в отличие от рассмотренных выше, подразделяются на активные и пассивные.

Активные акустические методы (их также называют ультразвуковыми) основаны на возбуждении в объекте контроля высокочастотных упругих волн и их анализе при последующей регистрации. Наличие трещиноподобных дефектов в сварном соединении трубопровода приводит к отражению и рассеиванию упругих волн. Возбуждение и приём осуществляются путём преобразований переменного электрического поля в акустическое и наоборот. На практике обычно используются волны с частотой до 10 МГц, что позволяет обнаруживать трещиноподобные дефекты минимальным размером 0,3–0,5 мм. Погрешность измерения размеров ТПД зависит от схемы проведения контроля, скорости сканирования, числа преобразователей и их характеристик, алгоритма обработки сигналов и может составлять от 10% (в многочастотной голографии и дифракционно–временном методах) до 43% (в эхо–импульсном методе).

Ультразвуковой контроль может осуществляться без остановки трубопровода и в широком диапазоне условий окружающей среды. Для его применения достаточно обеспечить односторонний доступ к поверхности трубопровода. Ультразвуковые методы довольно безопасны для обслуживающего персонала, обладают устойчивостью к электрическим и магнитным помехам, имеют высокую чувствительность к трещиноподобным дефектам. На их основе разрабатываются надёжные средства как для контроля трубопроводов снаружи, так и изнутри, имеющие автономное питание, работающие в ручном и автоматическом режимах.

Однако, применение ультразвуковых средств требует обязательного контакта с поверхностью трубопровода и выполнения значительного объёма подготовительных работ (в случае контроля трубопровода снаружи – удаления изолирующего и антикоррозионного покрытий, шлифовки поверхности до R_z=40 мкм, а при контроле изнутри – очистки трубопровода от отложений и обеспечения проходимости снарядов–дефектоскопов). Кроме того, внутритрубные снаряды–дефектоскопы, использующие ультразвуковые методы, не могут использоваться на трубопроводах, перекачивающих газообразные среды, поскольку для передачи сигналов необходим акустический контакт через жидкость. Большим недостатком ультразвуковых методов является также зависимость результатов контроля от структуры (размера зерна) и акустических свойств (затухания, скорости распространения волн) металла трубопровода. Ультразвуковые методы, как правило, используются для локального контроля трубопроводов, имеют небольшую дистанционность и не позволяют прогнозировать развитие трещиноподобных дефектов в процессе эксплуатации трубопроводов [2].

Метод акустической эмиссии (АЭ) является акустическим методом, единственным пассивным из всех представленных. Он имеет ряд отличительных особенностей, выделяющих его из общей группы акустических методов и заставляющих рассматривать отдельно. Метод АЭ основан на регистрации и анализе упругих волн, возникающих в трубопроводе вследствие локального динамического изменения структуры его материала (при образовании и развитии различных дефектов, фазовых превращениях и пр.). В случае развития трещиноподобных дефектов появление упругих волн обусловлено быстрым высвобождением потенциальной энергии, сконцентрированной в зонах дефектов, и последующей релаксацией напряжений в объёме прилегающего материала. Возникающие при этом колебания улавливаются и преобразуются в электрические сигналы соответствующими преобразователями, установленными на поверхности трубопровода. Параметры сигналов АЭ несут информацию об энергии, мощности и интенсивности процессов развития трещиноподобных дефектов, а также могут быть использованы для оценки величины и скорости их приращений, определения местоположения дефектов в трубопроводе. Чувствительность метода по теоретическим оценкам позволяет обнаружить развивающийся дефект размерами 0,001 х 0,001 мм², а в производственных условиях он обеспечивает выявление приращений трещиноподобных дефектов от 0,1 мм. Конкретное значение чувствительности определяется свойствами материала трубопровода (прочностью, однородностью, изотропностью), его структурой (размером зерна), типом и характеристиками используемых преобразователей, стабильностью их контакта с объектом, условиями проведения контроля (температурой, скоростью деформации материала) и уровнем производственных помех. Погрешность измерения параметров сигналов АЭ (амплитуды, длительности, энергии и т.п.), характеризующих динамику развития трещиноподобных дефектов, зависит от возможностей вычислительных средств и применяемых способов обработки информации, а погрешность определения координат дефектов – от числа преобразователей, расстояний между ними, схемы их расположения, направления и скорости распространения упругих волн, применяемых алгоритмов локализации. В первом случае значение погрешности не превышает 3–5%, а во втором может достигать 15%.

Контроль методом АЭ может проводиться без остановки трубопроводов, в процессе их эксплуатации. Особенностью применения этого метода является необходимость кратковременного изменения напряжённого состояния трубопровода, что служит стимулом для проявления дефектов. Такое изменение, как правило, достигается путём приложения нагрузки, незначительно превышающей эксплуатационное значение (на 5–10%). Однако анализ условий работы многих трубопроводов показывает, что для применения метода можно и не прибегать к подобным мерам, поскольку трубопроводы в процессе эксплуатации испытывают различные нагрузки (из–за штатных изменений режимов перекачки, температурных деформаций и т. д.), достаточные в большинстве случаев для инициации развития трещиноподобных дефектов.

Достоинствами метода АЭ являются его высокая чувствительность к развивающимся трещиноподобным дефектам и возможность одновременного контроля протяжённых участков трубопроводов. Для использования метода необходимо обеспечить односторонний доступ к поверхности трубопровода в нескольких местах. Метод безопасен для обслуживающего персонала и не требует его присутствия в непосредственной близости от трубопровода в процессе проведения контроля. Он имеет гораздо меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой металлов, чем рассмотренные ранее методы, а положение и ориентация трещиноподобных дефектов совершенно не влияют на достоверность их выявления. Применение данного метода позволяет проводить адекватную оценку состояния протяжённых участков трубопроводов в режиме реального времени, обнаруживая развивающиеся трещиноподобные дефекты задолго до достижения ими критических размеров.

Основными недостатками метода АЭ, ограничивающими его применение, являются зависимость результатов контроля от влияния помех и трудность различения сигналов от действия разных по своей природе источников. Первый из указанных недостатков объясняется тем, что сигналы АЭ являются шумоподобными, т. к. генерация упругих волн при разрушении материалов представляет собой стохастический импульсный процесс. Второй недостаток обусловлен высокой чувствительностью метода к любым изменениям состояния трубопровода, которые происходят в ограниченном объёме его материала и за короткий срок. В связи с последним, к появлению сигналов АЭ, кроме образования и развития трещиноподобных дефектов, приводят также процессы пластической деформации металла, утечки и пропуски рабочей среды, интенсивная коррозия, трение и т. п. Сигналы АЭ регистрируются в широком диапазоне частот (от 1–5 кГц до 2–3 МГц) и амплитуд (от 5–10 мкВ до 10–20 мВ). Значения указанных параметров определяются затуханием упругих волн в конструкции трубопровода, что требует их уточнения в каждом конкретном случае. Учитывая сказанное, идентификация результатов контроля методом АЭ часто проводится с применением других методов, что снижает его производительность.

Анализ вышеперечисленных методов и средств выявления скрытых трещиноподобных дефектов в сварных соединениях трубопроводов показывает, что все они, за исключением метода АЭ, имеют ряд общих существенных недостатков. В частности, радиационные, магнитные, вихретоковые и ультразвуковые методы требуют выполнения значительного объёма подготовительных мероприятий. Эти методы используются для осуществления локального контроля трубопроводов. При использовании магнитных, вихретоковых и ультразвуковых методов контроль выполняется путём сканирования трубопровода, при этом погрешность измерения параметров трещиноподобных дефектов сильно зависит от направления и скорости перемещения преобразователей. Кроме того, на результаты магнитного, вихретокового и ультразвукового контроля оказывают большое влияние свойства и структура материала сварного соединения, а также положение и ориентация трещиноподобного дефекта в стенке трубопровода. Указанные недостатки приводят к увеличению времени контроля и заметному снижению производительности этих методов.

Необходимо также отметить, что ни один из рассмотренных методов, кроме метода АЭ, не обладает интегральностью и не позволяет оценивать динамику развития трещиноподобных дефектов в режиме реального времени. Однако для повышения эффективности этого метода контроля трубопроводов и более полной реализации его возможностей следует решить задачи разработки помехоустойчивых алгоритмов регистрации сигналов АЭ и идентификации источников АЭ различной природы в сварных соединениях трубопроводов [2].

Список литературы

Баранов, В.М. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно–энергетического комплекса: учеб. пособие / В.М. Баранов, А.И. Гриценко, А.М. Карасевич и др. – М.: Наука, 2015. – 304 с.

ГОСТ 18353–79 Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов от 27.04.2017. – Из–во.: Кодекс Консорциум, 2019. – 412 с.

ГОСТ 2.602–95 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Ремонтные документы (с изменениями № 1 и 2). – Введено 1996–07–01. – М.: АО «Кодекс», 2019. – 39 с.

ГОСТ 32569–2013 Трубопроводы технологические стальные. Требования к устройству и эксплуатации на взрывопожароопасных и химически опасных производствах. – Введено 2015–05–29. – М.: АО «Кодекс», 2019. – 55 с.

Код для цитирования: Скопировать