ВИХРЕТОКОВЫЙ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА 

А.Г. Ефимов, А.Е. Шубочкин, Е.В. Мартьянов, П.Н. Мефодичев

Введение

Безаварийная эксплуатация технически опасных объектов невозможна без использования методов неразрушающих контроля (НК). Диагностика на всех этапах эксплуатации изделий металлопроката позволяет не только определить их текущее состояние и определить уровень износа, но и оценить возможность и сроки дальнейшей эксплуатации.

Трубная промышленность проводит НК практически всей своей продукции [1…3]. В ходе эксплуатации магистрального трубопровода нет возможности производить периодический контроль всего объема, и выполняется лишь выборочный контроль. Согласно действующим на сегодняшний день нормативным документам по проведению диагностики состояния металлоконструкций и изделий металлопроката магнитные и вихретоковые методы НК состояния металла применяются повсеместно в различных отраслях промышленности. Объем контроля, выполняемого данными методами, значительно разнится для различных изделий и объектов. Так согласно отраслевому стандарту [4] при контроле магистральных нефтегазопромысловых трубопроводов, вихретоковый контроль выполняют в объеме не менее 3 % поверхности труб для выявления стресс-коррозионных дефектов глубиной менее 10 % от толщины стенки труб, а также определения геометрических размеров стресс-коррозионных дефектов, в том числе выявленных сканером-дефектоскопом. Магнитопорошковая дефектоскопия применятся к 10% выявленных дефектов. В других случаях производится 100% контроль изделий магнитными и вихретоковыми методами НК, например: при проведении ремонтных работ, контроле ответственных балок металлоконструкций и узлов подъемных механизмов. Самые ответственные изделия контролируются многократно на протяжении всего срока службы.

Естественно, что такой разброс в подходах диагностирования изделий металлопроката не случаен. Существуют многочисленные СНиП, РД, ОСТ и методические указания по проведению диагностики металлоконструкций. Существующие методики предписывают применение магнитных и вихретоковых методов в ходе оперативно-функциональной диагностики, экспертном обследовании, так как анализ полученных данных позволяет определить основные параметры технического состояния объекта контроля, установить закономерности их изменения и спрогнозировать остаточный ресурс объекта.

Существующая практика определения остаточного ресурса нефтегазопромысловых трубопроводов по запасу толщины.

Хорошо известно, что результат определения остаточного ресурса металлоконструкций оказывается наиболее близким к действительному значению при периодической диагностики на протяжении всего срока эксплуатации технически опасного объекта. Периодический контроль существующей трубопроводной системы эксплуатирующим организациям не проводится из-за большого объема сопутствующих диагностике операций и труднодоступности многих участков. Кроме того, по регламенту проводить диагностику разрешено при остановке работы трубопровода, либо значительного снижения рабочего давления в нем.

На практике второй раз, после ввода в эксплуатацию, труба контролируется, когда расчетный срок ее службы приближается к завершению, и особенно остро встают вопросы о возможности ее дальнейшей эксплуатации и определения срока остаточного ресурса. На этом этапе качество поверхности, наличие остатков защитных покрытий и грунтовых наслоений делает использование вихретокового, магнитного и ЭМА методов НК более предпочтительными, по сравнению с ультразвуковым контролем для проведения диагностики с целью выявления различных видов несплошностей металла. Для поиска поверхностных дефектов применяется вихретоковый контроль (ВК). С помощью ручных и автоматизированных вихретоковых дефектоскопов выявляются трещиноподобные и стресс-коррозионные дефекты, питтинговая коррозия. ЭМА-толщиномеры позволяют выявить эрозионное утонение стенки, общую коррозию и расслоения . Преимущество использования бесконтактных средств НК, таких как вихретоковые одноканальные дефектоскопы (ВД-90НП, ВД-12НФП, ВД-12НФМ) и автоматизированные многоканальные системы вихретокового контроля (ВД-91НМ, АСК «Вихрь» и т.п.), заключается в отсутствии необходимости очистки контролируемой поверхности объекта контроля от загрязнений и изоляционных покрытий [5-7].

Вихретоковые и магнитные методы контроля позволяют выявлять разнообразные эксплуатационные дефекты металлопроката и сварных соединений[8]. Хорошо детектируются трещиноподобные дефекты (закаты, стресс-коррозия, усталостные трещины, холодные трещины сварных соединений, свищи, питтинговая коррозия и др. Вихретоковые дефектоскопы позволяют выявлять дефекты поверхностях с большой шероховатостью, через диэлектрический зазор. Применяются не только для детектирования трещин, но и для оценки из габаритных размеров.

С точки зрения своих характеристик наибольший интерес представляет собой многоканальный дефектоскоп ВД-91НМ (Рис.1). Используемые в нем программные и аппаратные решения позволяют в широчайших пределах отстроиться от такого основного мешающего параметра как рабочий зазор преобразователя. На сегодняшний день ВД-91НМ единственная вихретоковая система в мире, позволяющая работать с переменным зазором до 10 мм без потери чувствительности к трещиноподобным дефектам. При этом глубина порогового дефекта не превышает 0.3 мм. Указанные характеристики позволяют проводить контроль труб, в том числе и в зоне сварного шва. Большой рабочий зазор позволяет проводить контроль труб предназначенных для морских подводных переходов, где толщина изоляции достигает 8 мм [9].

Наиболее распространенными среди эксплуатационные дефектов являются коррозионные повреждения, подразделяющиеся на сплошную, точечную и язвенную коррозии, причем глубина повреждения варьируется от долей мм до сквозных отверстий и трещины.

Усталостные трещины и стресс-коррозионное растрескивание, обычно характеризуются площадью области образования и глубиной. Данный тип несплошностей образуется на поверхности изделий металлопроката, чаще всего в зонах концентрации напряжений на краях вмятин и выпучин, околошовной зоне и зоне сварного шва, местах с поврежденным изоляционным покрытием. Трещины хорошо выявляются вихретоковым методом НК, даже при сильно корродированной поверхности ОК. Следует подчеркнуть, что трещины являются самым опасным дефектом. Наличие трещин любых размеров и направлений в металлоконструкциях не допускается либо регламентируется. В отношении труб с выявленными дефектами выносится решение об их ремонте либо браковке (полной или частичной). На ремонтопригодных трубах выявленные дефекты должны быть удалены абразивной зачисткой с контролем остаточной толщины стенки трубы.

Дальнейший расчет остаточного ресурса трубы предполагается проводить оценку запаса толщины стенки. В расчете используются значения минимальной остаточной толщине трубы с учетом общего коррозионно-эрозионного износа и ремонта дефектных участков.

Гамма-процентный ресурс рассчитывается с вероятностью 90-95%

Применение коэрцеметрии для определения срока безаварийной эксплуатации трубопровода.

Магнитный метод НК используется для контроля изделий из металлопроката[10]. Одним из направлений его применения является определение механических свойств ферромагнитных материалов. Известно, что магнитные и физико-механические свойства металлов зависят от одних и тех же факторов. Среди них не только химический состав и режимы термической обработки материала, но и накапливаемые повреждения микро- и макроструктуры, такие как: пластические деформации, микро- и макро дислокации, усталостные повреждения и пр. В ходе эксплуатации в металле происходят структурные изменения, связанные с условиями и режимами работы. Микро- и макродефекты структуры, накопленные в процессе эксплуатации хранят информацию, связанную с максимальными величинами нагрузок, действовавшими на ОК. Магнитные параметры, однозначно связанные с количественными нарушениями структуры металла, являются отображением режима работы конструкции.

Одним из параметров, применяемым в магнитном методе НК, является коэрцитивная сила H_c. Данная магнитная величина однозначно связана с остаточной пластической деформацией e_пл при различных видах нагружения металлоконструкции в ходе их эксплуатации. Обе величины возрастают при циклическом нагружении ОК. H_c – напряженность магнитного поля, необходимая для размагничивания ферромагнетика предварительно намагниченного до насыщения.

Большинство марок сталей, применяемых для производства труб, относятся к классу разупрочняемых сталей. Коэффициент упрочнения для них составляет: n ≤ 0,1, а коэрцитивная сила в состоянии поставки относительно невелика: Hc = 1…10 А/см. Для металлопроката из таких сталей существует корреляция физико-механических и магнитных свойств с коэффициентом корреляции не менее 0,9.

Проведенные исследования с одновременным использованием магнитного структуроскопа МС-10 и вихретокового дефектоскопа ВД-90НП, показывают, что величина коэрцитивной силы в области подверженной стресс-коррозионному растрескиванию увеличивается (рис. 2).

Магнитный структуроскоп МС-10 был использован т.к. он имеет наибольшую глубину промагничивания, диапазон и точность измерения среди всех выпускаемых в мире мобильных магнитных коэрцитиметров, а также позволяет проводить измерения при значительных отрицательных температурах.

Рис. 2 Магнитный структуроскоп МС-10 (а), вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП и результаты магнитного (в) и вихретокового (г) контроля спроецированные на ОК из стали марки 09Г2С

Повторные замеры, сделанные после проведенного ремонта, однозначно показывают, что данные области имеют аномально высокие значения коэрцитивной силы в сравнении с металлом остального тела трубы. Известно, что коэрцитивная сила металла увеличивается со временем. Также известна корреляционная зависимость между механическими свойствами стали и коэрцитивной силы.

Трубопровод эксплуатируется в режиме малоцикличного нагружения. Для такого режима эксплуатации металла нехарактерны резкие скачки коэрцитивной силы. Значит, кривая изменения коэрцитивной силы с учетом условий нагружения от времени будет верна для всего металла трубы (кривая 17Г1С режим Q1 на рис. 3). По этой кривой видно, что точка соответствующая текущему значению коэрцитивной силы в области подверженной стресс-коррозии предполагает меньшее остаточное время безаварийной эксплуатации по сравнению с основным материалом тела трубы. Именно это смещение необходимо учитывать при конечном расчете остаточного ресурса.

Рис.3 Усталостные зависимости стальных листов марок Ст20 и 17Г1С при различных условиях нагружения
режим Q1 – σ = 150 МПа; режим Q2 – σ = 200 МПа; режим Q3 – σ = 250 МПа, режим Q4 – σ = 300 МПа.

Из корреляционной зависимости e (Н_с) (рис.1) и зависимости

(1)

,                                                                               (1)

где σ – амплитуда нагружения, Е – модуль упругости, K – коэффициент напряжения, определяется новая величина амплитуды нагружения. На основании полученных данных вносится поправка в расчет оценки малоцикловой долговечности по критерию зарождения трещины из уравнения Менсона - Коффина для определения нового числа циклов нагружения до зарождения трещины.

,                                                          (2)

где е_а- амплитуда истинных деформаций в вершине дефекта; σ_-1 - предел усталости металла при симметричном нагружении; Е - модуль упругости; - известная величина относительного равномерного сужения; - показатель мягкого циклического нагружения, который определяется по приближенной формуле:  .

При расчете числа циклов зарождения трещин N₃ для случая несимметричного нагружения ОК, характерного для трубопроводов под давлением, определяется исходя из следующих заключений. Циклы нагрузки характеризуются амплитудой деформаций в вершине дефекта е_а и средней деформацией е_ср. Каждый из этих параметров обратно пропорционален значению N₃. Соответственно уменьшается. Чтобы сохранить постоянным количество циклов N₃ при увеличении параметра е_ср, надо эквивалентно снизить амплитуду деформаций е_а. При условии N₃ = const можно построить зависимость типа е_ср = f(е_а). Такие зависимости монотонно убывающие, и при расчетах они заменяются линейными. Погрешность этого приближения увеличивает запас долговечности ОК. Учитывая вышеизложенное, N₃ рассчитывается для заданного несимметричного малоциклического нагружения, замещением на приближенное эквивалентное симметричное нагружение. У такого эквивалентного нагружения число циклов N_cp будет одинаковым с рассчитываемым нагружением.

В общем случае                        ,                                                                      (3);

где N_Т – число циклов, соответствующее пределу выносливости ОК, до его физического разрушения;
N_д – фактическое число отработанных циклов на момент диагностики.

определяется по экспериментально полученным зависимостям либо справочным данным.

определяется при проведении диагностики с учетом режима работы ОК.

Временной ресурс ОК рассчитывается после нахождения N_рес по номограммам нагружения металла, позволяющим определить по корреляционным коэффициентам ресурс металлоконструкции в циклах, процентах или условных временных сменах в зависимости от режима эксплуатации металлоконструкции и максимального значения коэрцитивной силы Н_с.

Менее значительная ошибка в расчете надежности по остаточной толщине, заключается в том, что скорость утонения материала рассчитывается по линейному закону, а не возрастающему пропорционально росту коэрцитивной силы металла. При проведении дополнительного магнитного контроля по полученным значениям коэрцитивной силы можно провести оценку уровня максимальных нагрузок, приложенных к ОК в процессе эксплуатации, уровня остаточных напряжений и уровня упругопластических деформаций в металлоконструкциях. Последние два параметра однозначно влияют на увеличение скорости коррозии металла. Следует отметить, что после проведения ремонта выполняется восстановления защитных покрытий трубопровода, что исключает дальнейшую коррозию и на дальнейшее утонение толщины стенки влияет внутренняя эрозия.

Заключение.

При проведения диагностики с целью оценки остаточного ресурса трубы применяется комплексное обследования вихретоковым, магнитным и ЭМА методами. Ошибки измерения на каждом из этапов контроля вносят дополнительную погрешность в итоговую оценку. По требованиям отраслевого стандарта [4] заключение должно содержать все результаты контроля, а гамма-процентный ресурс должен быть определен с вероятностью 90-95%. А это означает, что самые высокие требования, предъявляемые к средствам НК оправданы, и своевременное обновление парка приборов необходимо.

Литература

1.       ИСО 3183:2007 «Нефтяная и газовая промышленность. Трубы стальные для трубопроводных транспортных систем» (ISO 3183:2007 «Petroleum and natural gas industries - Steel pipes for pipeline transportation systems».

2.       Klyuev V.V., Muzhitskiy V.F., Gorkunov E.S., Scherbinin V.E., Fedosenko Yu.K., et al. NONDESTRUCTIVE TESTING Handbook: In 8 volumes / Edited by V.V. Klyuev. V. 1: in 3 books - Москва, 2010. Том 1 Magnetic Testing, Eddy-current Testing,X-ray Testing.

3.       Федосенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль. Учебное пособие для подготовки специалистов по неразрушающему контролю и технической диагностике / Российское общество по неразрушающему контролю и технической диагностике. - Москва, 2011. сер. Диагностика безопасности

4.       ОСТ 153-39.4-010-2002. Методика определения остаточного ресурса нефтегазопромысловых трубопроводов и трубопроводов головных сооружений, Москва, 2002г.

5.       Загидулин Р.В., Мужицкий В.Ф., Ефимов А.Г., Загидулин Т.Р., Шубочкин А.Е. Исследование влияния продуктов коррозии магистрального нефтепродуктопровода на сигнал вихретокового дефектоскопа ВД-12НФП. Контроль. Диагностика. 2007. № 9. с. 42-46.

6.       Ефимов А.Г. К влиянию продуктов коррозии металла и отложений на выявляемость дефектов сплошности при электромагнитном контроле стальных изделий. Часть 1. Контроль. Диагностика. 2012. № 1. с. 26-33.

7.       Ефимов А.Г. К влиянию продуктов коррозии металла и отложений на выявляемость дефектов сплошности при электромагнитном контроле стальных изделий. Часть 2. Контроль. Диагностика. 2012. № 2. с. 25-33.

8.       Ефимов А.Г., Шубочкин А.Е. Современные тенденции развития вихретоковой дефектоскопии и дефектометрии - Контроль. Диагностика. 2014. № 3. c. 68-73.

9.       Ефимов А.Г., Шубочкин А.Е., Мартьянов Е.В. Современные вихретоковые системы неразрушающего контроля металлопроката, Контроль. Диагностика. 2014. № 12. c. 19-21.

10.   Ефимов А.Г. Распределение сигнала накладного вихретокового преобразователя над стальным изделием с внутренним дефектом сплошности в приложенном магнитном поле. Контроль. Диагностика. 2012. № 3. с. 17-24.