Затрагивается тема чувствительности в магнитных методах дефектоскопии к глубинным дефектам в стенке диагностируемого трубопровода. Определяются зависимости намагниченности стенки трубопровода от скорости магнитного дефектоскопа. Рассматриваются несколько дефектов разного вида и приводятся графики необходимой намагниченности стенки трубопровода для обнаружения каждого из рассматриваемых дефектов разной глубины. На основе полученных данных определяется зависимость намагниченности стенки трубопровода от скорости дефектоскопа.
При эксплуатации магистральных газопроводов одной из основных задач является своевременная диагностика и оценка остаточного ресурса трубопровода. Обнаружение нарушений целостности (сплошности) металла трубопровода, например промышленные дефекты, коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), отслоения, точечная коррозия и другие, с наибольшей эффективностью достигается магнитным методом [1, 13, 16, 18]. Однако из-за недостаточной намагниченности или неустановившегося однородного магнитного поля в стенке стального трубопровода снижается достоверность результатов диагностики и, как следствие, малая выявляемость дефектов, что приводит к ошибочной оценке остаточного ресурса трубопровода. Для обеспечения становления однородного магнитного поля в стенке трубопровода следует знать предельно допустимую скорость дефектоскопа, которая зависит от толщины стенки трубопровода, марки стали, из которой он изготовлен, и магнитных характеристик стали. Также необходимо знать минимально возможную скорость дефектоскопа, которая в свою очередь зависит от типа устройства активного регулирования скорости дефектоскопа, его геометрии, силы трения между тянущими манжетам дефектоскопа и стенкой трубопровода, свойств перекачиваемого продукта и др.
Методы
Метод рассеяния магнитного потока(MFL)
Магнитные дефектоскопы предназначены для обследования состояний стенок труб действующих трубопроводов [15, 16].
Их работа основана на регистрации рассеяния магнитного потока в стенке трубы, происходящего в зоне поверхностных и подповерхностных дефектов [10, 13, 14, 17]. Принцип метода рассеяния магнитного потока заключается в том, что если в намагниченной части трубы имеется нарушение сплошности металла, то некоторая часть магнитного потока выходит наружу из стенки трубы, т.е. магнитный поток рассеивается на дефекте и может быть зафиксирован датчиком, расположенным на некотором расстоянии от поверхности трубы. Таким методом наиболее хорошо обнаруживаются дефекты, имеющие поперечный размер к направлению намагничивающего поля, достаточный для того, чтобы появилось поле рассеяния. Поэтому некоторые дефекты, которые расположены продольно по отношению к направлению магнитного поля или имеющие недостаточный для выявления размер раскрытия или глубины либо вообще не отражены на магнитограмме, либо сигналы от них трудно интерпретировать [6, 15, 16].
Из-за наличия магнитного шума, связанного с локальными изменениями магнитных свойств трубы, обусловленных изменением толщины стенки, структурными неоднородностями и др., существует некоторая пороговая величина обнаружения дефектов по глубине, которая в общем случае составляет примерно10 % от толщины стенки трубы [7].
Реализация метода рассеяния магнитного потока
Намагничивание стенки трубопровода происходит с помощью постоянных магнитов и гибких магнитопроводящих щеток, которые в свою очередь передают магнитный поток между магнитами и стенкой трубы.
Индикаторами магнитного поля дефекта являются полупроводниковые датчики Холла, измеряющие величину тангенциальной составляющей магнитного поля. Датчики помещены в специальные блоки, которые имеют достаточную гибкость и упругость для поддержания постоянного усилия прижатия. Размещение датчиков позволяет охватывать весь внутренний окружной периметр трубы. Расстояние между датчиками в окружном направлении зависит от их общего количества и от диаметра трубопровода [6].
Условия проведения дефектоскопического обследования
Поддержание оптимальной скорости движения магнитного дефектоскопа является основным условием, которое обеспечивает качество обследования трубопровода. Стоит учитывать, что оптимальная скорость дефектоскопа – это величина, которая зависит в первую очередь от толщины стенки диагностируемого трубопровода и магнитных характеристик металла, из которого он изготовлен. Так, например, для трубопровода, изготовленного из стали марки 17Г1С при толщине стенки трубопровода от 6 до 10 мм, скорость дефектоскопа должна составлять от 6 до 2 м/с соответственно [8]. Для дефектоскопов продольного намагничивания существует требование об ограничении скорости движения в трубе. Это требование обусловлено физической природой процесса намагничивания ферромагнетика в динамике и не связано с какими-либо недостатками конструкции дефектоскопа [6, 12]. Возникновение вихревых токов при движении дефектоскопа в трубопроводе препятствует проникновению магнитного потока, что влечет за собой неоднородное намагничивание стенки по толщине трубы. Качество обследования также ухудшается вследствие неполного становления однородного магнитного поля в стенке трубопровода и, как следствие, становится невозможным обнаружение дефектов малой глубины на внешней поверхности трубы [7, 8].
Величина вихревых токов зависит от индукции магнитного потока в стенке трубопровода, от скорости движения дефектоскопа, от расстояния между полюсами постоянных магнитов и от толщины стенки трубопровода.
Величина оптимальной скорости движения зависит от толщины стенки трубы или от диаметра трубы. Чем толще стенка, тем меньше должна быть скорость. Так, например, для толщины стенки трубопровода, диаметр которого 1420 мм, изготовленного из стали марки 17Г1С, от 23 до 30 мм скорость дефектоскопа должна составлять от 0,37 до 0,22 м/с. Безусловно, данные значения зависят и от самого дефектоскопа и редко являются универсальными [7, 8].
Чувствительность магнитных методов дефектоскопии к глубинным дефектам
Пусть исследуемое тело – бесконечно длинный цилиндр, помещенный в однородное поле бесконечно длинного соленоида. Пусть материал этого тела – бесконечно магнитно-мягкий, т. е. способен намагничиваться до насыщения B в самом слабом поле. Пусть в этом теле имеется плоскость любой формы, наибольшая площадь сечения которой является плоскостью, перпендикулярной к длине данного тела. Эту плоскость назовем экваториальной плоскостью. В экваториальной плоскости целая часть тела будет иметь наименьшую площадь, пусть в этом сечении материал будет намагничен [7].
Вследствие предельной магнитной мягкости материала данного тела, скорость изменения направления вектора намагниченности доменов будет бесконечно велика до тех пор, пока намагниченность материала не достигнет насыщения. В результате, силовые линии вектора намагниченности тела будут плавно огибать (обтекать) данную плоскость, нигде не прерываясь и не упираясь о поверхность тела (наружную или у полости) до тех пор, пока намагниченность будет меньше намагниченности, достаточной насыщения. До этого же момента будет абсолютно невозможно какими-либо магнитными наблюдениями обнаружить признаки наличия полости в данном теле. Возмущения от полости, на которые реагируют датчики Холла магнитных дефектоскопов, появятся лишь при насыщении [7].
Величина сигналов, применяемых искателем и приводящих в действие индикатор дефектоскопа, тем или иным способом связана с величиной магнитных зарядов, окружающих дефект. Полная величина Q этих зарядов, находящихся по какую-либо одну сторону от экваториальной плоскости (заряды по другую сторону имеют ту же величину, но противоположный знак), равняется разности потоков вектора намагниченности в экваториальной плоскости и вдали от нее.
Очень мелкие полости, которые находятся вне действия магнитного поля ввиду того, что глубина становления однородного магнитного поля недостаточна, не будут обнаруживаться вовсе до тех пор, пока не наступит техническое насыщение диагностируемого изделия, и лишь при насыщении эти мелкие полости дадут сигналы, величина которых будет пропорциональна их площади [6].
Опыт показывает, что на самом деле лишь при магнитном насыщении изделия получают от глубинных дефектов сигналы, пропорциональные действительной величине этих дефектов. При понижении намагниченности изделия мощность сигналов убывает так, что для малых дефектов эта убыль происходит с относительно большей скоростью, чем для больших; уже весьма недалеко от насыщения сигналы от малых дефектов исчезают практически полностью, и по мере дальнейшего уменьшения намагниченности эта же участь постигает сигналы от больших дефектов [8, 9].
Влияние скорости движения магнитного дефектоскопа на выявляемость дефектов
Рассмотрим несколько распространенных дефектов стенки трубопровода, выявленных отечественным дефектоскопом КОД 4М 1420у, где 1420 означает диаметр трубопровода в миллиметрах, для которого предназначен этот дефектоскоп.
Первый рассматриваемый тип аномалии классифицируемый как задир, длина – 300 мм, ширина – 300 мм, максимальная глубина 30 %. Магнитное изображение дефекта отражено ниже (рисунок 1).
Синим и красным цветом отражены отклонения тангенциальной и нормальной составляющих магнитного поля. Слева на рисунке 2 изображена магнитограмма развертки участка диагностируемого трубопровода, а справа – магнитограмма области выявленного дефекта.
Глубина этого дефекта составляет 30 % от глубины стенки трубопровода, необходимая степень намагничивания стенки будет равна 70 %.
Так как требуемая скорость дефектоскопа для создания достаточной намагниченности зависит от толщины стенки, можем представить эту зависимость на графике (рисунок 2).
На следующих двух рисунках изображен второй рассматриваемый дефект, классифицируемый как трещиноподобный, – его магнитное изображение далее (рисунок 3), по данным диагностики, его длина 190 мм, ширина 800 мм, а глубина 4 % от толщины стенки трубопровода.
Для выявления этого дефекта необходимая степень намагничивания стенки трубопровода будет равна от 96 %. Так как требуемая скорость дефектоскопа для создания достаточной намагниченности зависит от толщины стенки, можем представить эту зависимость на графике, изображенном ниже (рисунок 4).
На следующих двух рисунках изображен третий рассматриваемый дефект, классифицируемый как коррозия, – его магнитное изображение далее (рисунок 5), по данным диагностики, его длина 350 мм, ширина 95 мм, а глубина 3 %.
Для выявления этого дефекта необходимая степень намагничивания стенки трубопровода будет равна от 97 %. Так как требуемая скорость дефектоскопа для создания достаточной намагниченности зависит от толщины стенки, можем представить эту зависимость на графике, изображенном ниже (рисунок 6).
На следующих двух рисунках изображен четвертый рассматриваемый дефект, классифицируемый как коррозия, – его магнитное изображение далее (рисунок7), по данным диагностики, его длина 1800 мм, ширина 300 мм, а глубина 9 %.
