Применение ультразвуковой дефектоскопии

Содержание Введение

1. Классификация внутритрубных дефектоскопов

2. Виды ультразвуковых дефектоскопов

2.1 Ультразвуковой внутритрубный дефектоскоп для прямого высокоточного измерения толщины стенки трубы (WM)

2.2 Ультразвуковой внутритрубный дефектоскоп для прямого высокоточного обнаружения трещин на ранней стадии (CD)

2.3 Ультразвуковой внутритрубный комбинированный дефектоскоп для прямого высокоточного измерения толщины стенки трубы и обнаружения трещин на ранней стадии (WM&CD)

3. Принцип действия ультразвуковых дефектоскопов

4. Область применения ультразвуковой дефектоскопии Список используемых источников Введение Трубопроводный транспорт в настоящее время является наиболее экономичным видом транспорта нефти, газа и нефтепродуктов. Его бесперебойное и безопасное функционирование имеет первостепенное значение для всех жизненно важных отраслей экономики России.

Транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов по магистральным трубопроводам больших диаметров на значительные расстояния обусловила повышение требований к надежности работы трубопроводных систем, разработку системы предотвращения аварий и утечек, обеспечения защиты окружающей среды.

Для обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов ухудшение состояния должно своевременно предупреждаться. Реализация этого принципа должна основываться на выполнение комплекса мер по совершенствованию технического обслуживания и ремонта трубопроводов, основанных на проведение систематического контроля трубопроводной системы неразрушающими методами, проведение ремонта или назначение безопасных режимов перекачки по результатам контроля технического состояния трубопроводов.

Для выполнения задач по инспектированию объектов АК «Транснефть» в апреле 1991 года, был создан Центр технической диагностики «Диаскан». За короткий срок Центром были освоены самые современные зарубежные технологии диагностирования, на этой базе созданы отечественные техники и технология диагностирования.

Техническая диагностика становится своеобразным индикатором и гарантом качеств и надежности новой техники, трубопроводной системы России, ее применение в стране постоянно возрастает.

1. Классификация внутритрубных дефектоскопов Основной технической политики Компании «Транснефть» по обеспечению безопасной эксплуатации магистральных нефтепроводов является комплексная внутритрубная диагностика линейной части и выборочный ремонт дефектов по ее результатам.

Для внутритрубной диагностики используются 5 типов внутритрубных инспекционных приборов, основанных на различных физических принципах работы и предназначенных для обнаружения и измерения дефектов различных типов:

— профилемеры — для выявления вмятин, гофров, овальностей;

— ультразвуковые дефектоскопы WM — для выявления коррозионных дефектов, рисок, расслоений, дефектов геометрии, смещений сварных швов;

— магнитные дефектоскопы — для выявления дефектов кольцевых сварных швов (непроваров, несплавлений, подрезов), питтинговой коррозии;

— ультразвуковые дефектоскопы CD — для выявления трещинноподобных дефектов в металле трубы и сварных швах;

— комбинированный дефектоскоп — в составе, которого: ультразвуковая секция CD+WM, магнитная и навигационная секция, способный за один пропуск обеспечить выявление всех типов дефектов магистрального нефтепровода.

2. Виды ультразвуковых дефектоскопов

2.1 Ультразвуковой внутритрубный дефектоскоп для прямого высокоточного измерения толщины стенки трубы (WM)

Рисунок 1 — Ультразвуковой внутритрубный дефектоскоп для прямого высокоточного измерения толщины стенки трубы (WM)

Ультразвуковой дефектоскоп типа WM (Wall thickness Measurement — измерение толщины стенки) представляет собой автономное устройство, предназначенное для обследования трубопроводов с целью определения дефектов стенки трубы методом ультразвуковой толщинометрии радиально установленными ультразвуковыми датчиками. Наличие и расположение дефекта в стенке трубы определяется по времени прихода ультразвуковых сигналов, отраженных от внутренней и наружной поверхности или неоднородности внутри стенки трубы, позволяя тем самым определять кроме наружных и внутренних потерь металла, различного рода несплошности в металле трубы, как: расслоения, шлаковые и иные включения. В дефектоскопах используется ультразвуковой принцип измерения толщины, основанный на акустическом эхо-импульсном зондировании стенки трубопровода с использованием ультразвуковых иммерсионных преобразователей совмещенного типа.

Рассмотрим принципиальную схему работы внутритрубного ультразвукового прибора-толщиномера.

Принцип работы ультразвукового толщиномера состоит в измерении временных интервалов между зондирующим импульсом и импульсами, отраженными от внутренней и внешней поверхностей стенки трубопровода. Временной интервал между зондирующим импульсом и первым отраженным импульсом соответствует расстоянию (отступу) между датчиком и внутренней поверхностью стенки трубы. Временной интервал между первым и вторым отраженными импульсами соответствует толщине стенки.

Вне зависимости от некоторых технических отличий, все типы подобных устройств несут на своей поверхности ультразвуковые датчики, работающие по иммерсионному методу (методу погружения), суть которого заключается в том, что пространство между датчиком и исследуемым объектом полностью заполнено жидкостью (нефтью или нефтепродуктом).

При контроле толщины стенки трубы и контроле дефектов, параллельных стенке трубы (расслоений, неметаллических включений) ультразвуковые колебания вводятся по нормали к поверхности трубы.

ПЭП — пьезоэлектрический преобразователь; Т — трубопровод; SO — значение отступа; Н — носитель датчиков (ПЭП) Рисунок 2 — Схема установки пьезоэлектрического преобразователя в упругом носителе внутритрубного дефектоскопа при радиальном прозвучивании стенки трубопровода Ультразвуковые датчики устанавливаются в держателе прибора так, чтобы они находились перпендикулярно стенке трубы. После излучении датчиком ультразвукового импульса, происходит отражение ультразвукового сигнала сначала от внутренней, а затем от внешней стенки трубы. Отраженные сигналы фиксируются ультразвуковым датчиком (рисунок 3).

Измерение толщины стенки трубы или расстояния до несплошности производится путем измерения времени прохождения зондирующего (т.е. излучаемого в изделие) импульса от наружной до внутренней поверхности трубы или от наружной поверхности до несплошности и отраженного импульса в обратном направлении. При известной скорости распространения ультразвука в стали (5850 м/с для продольных волн) указанный временной промежуток пропорционален двойной толщине стенки трубопровода или двойному расстоянию до дефекта.

Рисунок 3 — Принцип работы ультразвуковых датчиков Время прихода первого отраженного сигнала преобразуется в расстояние от датчика до внутренней поверхности стенки трубы, а время прихода второго — в толщину стенки (рисунок 4).

Рисунок 4 — Схема контроля В случае наружной коррозии время прохождения сигнала в стенке стальной трубы уменьшается, что дает непосредственно количественную меру потери металла. В случае внутренней коррозии увеличивается время прохождения сигнала в нефти.

Кроме обнаружения внутренней и внешней потерь металла, данный метод позволяет обнаружить и измерить другие типы дефектов, такие как расслоения, включения, царапины, надрезы, задиры и вмятины, а также их комбинации. Ультразвуковой сигнал отражается также и от различных неоднородностей в толще металла стенки трубы, позволяя тем самым определять, кроме наружных или внутренних потерь металла различного рода, несплошности в металле трубы (рисунок 5).

Рисунок 5 — Пример обнаружения расслоения Для того, чтобы избежать ложных замеров толщины стенки, что может быть вызвано переотражениями ультразвукового сигнала, системой электроники прибора фиксируются отраженные импульсы через определенный временной промежуток — так называемое время задержки триггерного сигнала.

После того, как от внутренней поверхности стенки трубы принято ультразвуковое эхо, прием прерывается для того, чтобы подавить многократные отражения. Во время задержки триггерного сигнала ультразвуковые эхо-сигналы не принимаются, поскольку они могут быть ложно интерпретированы как значения толщины стенки. В этом случае производится замер первого эхо-сигнала после окончания времени запаздывания триггерного сигнала (обычно, это второе по счету эхо от внешней поверхности стенки). Замеренное значение при этом показывает удвоенную толщину стенки.

Записываемые данные представляют собою совокупность ультразвуковых измерений толщины стенки трубы и расстояния от датчиков до внутренней стенки трубы, показаний одометрической информации (информации о пройденном прибором расстоянии), давлении окружающей среды, температуре и т. п.

Ультразвуковой дефектоскоп типа WM (рисунок 6) состоит из секцийстальных цилиндрических герметичных корпусов (с расположенной внутри электроникой, накопителями информации и батареями) и носителя датчиков, связанных между собой при помощи карданных соединений и кабелей. Количество секций и состав каждой секции определяются возможностью компоновки электроники и батарей в ограниченном объеме корпуса, габаритные размеры которого должны обеспечить контроль трубопровода с определенным проходным сечением и минимальным радиусом поворота трубы. Для трубопроводов диаметром 1220/1020 мм дефектоскоп выполнен двухсекционным, для трубопроводов диаметром 820 мм и менее он состоит из трех-пяти секций. В передней части ведущей секции установлен бампер, закрывающий антенну приемопередатчика, находящуюся в защитном кожухе.

Каждая секция и носитель датчиков снабжены полиуретановыми манжетами, предназначенными для центрирования и обеспечения движения прибора по трубопроводу потоком перекачиваемого продукта.

Рисунок 6 — Ультразвуковые дефектоскопы типа WM

На каждом герметичном корпусе установлены также конические манжеты, служащие для предотвращения застревания прибора в тройниках, не оборудованных предохранительными решетками. В задней части секции электроники на подпружиненных рычагах установлены два одометрических колеса, предназначенных для получения информации о пройденном расстоянии.

Для привязки к угловому положению относительно продольной оси трубопровода дефектоскоп имеет в своем составе маятниковую систему, позволяющую учесть вращение дефектоскопа при движении.

Носитель датчиков состоит из полиуретановых полозов коробчатого сечения с установленными в них ультразвуковыми датчиками, обеспечивающих постоянство расстояния от каждого датчика до поверхности трубы. Полозы соединены между собой плоскими пружинами, благодаря которым они плотно прилегают к внутренней поверхности трубы.

Датчики соединены с модулем электроники специальными кабелями с герморазъемами. Для того, чтобы на датчиках не откладывались парафино-смолистые отложения, конструкцией прибора предусмотрен проток перекачиваемого продукта через каналы полозов.

Минимальное проходное сечение трубопровода, необходимое для пропуска ультразвукового дефектоскопа, составляет 85%, а минимальный радиус поворота на 90° цельнотянутого колена трубы, проходимый прибором, составляет 1,5 Dн.

В качестве источника электропитания во внутритрубных инспекционных приборах используются литиевые батареи, как имеющие самую высокую емкость на единицу объема.

Количество датчиков на дефектоскопе предусмотрено такое, чтобы обеспечить контроль всей внутренней окружности трубы смыкающимися пятнами ультразвуковых лучей (для дефектоскопа 1220 мм, например, количество датчиков — 448). Вдоль оси трубы опрос ведется через 3,3 мм при скорости движения прибора 1 м/с. Таким образом, обеспечивается толщинометрия всей внутренней поверхности трубы за один прогон прибора.

Информация от каждого датчика обрабатывается бортовыми компьютерами, сжимается и записывается в накопителях информации.

2.2 Ультразвуковой внутритрубный дефектоскоп для прямого высокоточного обнаружения трещин на ранней стадии (CD)

Рисунок 7 — Ультразвуковой внутритрубный дефектоскоп для прямого высокоточного обнаружения трещин на ранней стадии (CD)

Ультразвуковой дефектоскоп предназначен для внутритрубного ультразвукового обследования магистральных трубопроводов с целью обнаружения продольных и поперечных стресс-коррозионных трещин стенок трубопровода, в том числе в продольных и поперечных сварных швах.

В дефектоскопах используется метод, основанный на акустическом эхо-импульсном зондировании стенки трубопровода с использованием ультразвуковых иммерсионных преобразователей совмещенного типа с наклонным вводом луча в стенку трубопровода.

Метод состоит в регистрации и измерении амплитуды отраженных от трещин сигналов и временных интервалов между зондирующим импульсом, импульсом, отраженным от внутренней стенки трубопровода и импульсом от трещины. Принцип действия представлен на рисунке 8.

Рисунок 8 — принцип действия Излученная датчиком ультразвуковая волна входит в металл под углом 17° к перпендикуляру к поверхности и распространяется в металле под углом 45°, при этом обеспечивается наилучшее отражение сигнала от трещины. Отраженные сигналы от трещины принимаются этим же датчиком. Для повышения вероятности обнаружения дефектов, облучение производится с двух сторон, сигнал от дефекта может быть принят 2-мя или 3-мя датчиками с каждой стороны. В процессе интерпретации такие сигналы от разных датчиков совмещаются, а по характеристикам принятых сигналов, вырабатывается заключение о свойствах дефекта.

Наиболее приемлемым методом определения трещиноподобных дефектов, который в основном и используется при разработке дефектоскопов, является теневой с использованием наклонно расположенных ультразвуковых датчиков.

Метод заключается во введении наклонного ультразвукового луча в тело трубы и получении этим же датчиком отраженного от дефекта сигнала. Угол падения луча (наклона датчика) выбирается таким, чтобы угол распространения преломленного луча в стенке трубы был 45° к поверхности (рисунок 9).

Рисунок 9 — Схема работы наклонного ультразвукового датчика Ультразвуковая волна, распространяющаяся в стенке трубы, отражается встречающимися трещинами и частично рассеивается. Наибольший отраженный сигнал приходит от трещин, расположенных перпендикулярно направлению распространения волны. С увеличением угла между направлением распространения луча и трещиной, амплитуда отраженного луча, приходящего к датчику, уменьшается. Поэтому для обнаружения разнонаправленных трещин необходимо иметь как минимум две системы датчиков, расположенных взаимно перпендикулярно.

На вход ультразвукового датчика приходит очень сложный отраженный сигнал, из которого необходимо извлечь полезную информацию о наличии трещин и их параметрах. Это достигается обработкой приходящего сигнала электронными и программными средствами на борту прибора-дефектоскопа.

Вышеописанный принцип обнаружения трещин реализован во внутритрубном ультразвуковом дефектоскопе типа CD (Crack Detection — детектор трещин).

Носитель датчиков ультразвукового дефектоскопа CD сконструирован таким образом, чтобы за один пропуск сканировался весь периметр трубы. Для обнаружения трещин используется большое количество датчиков, расположенных под углом к осевой плоскости трубы, половина которых сканирует в одном направлении, половина датчиков — в другом. Количество датчиков подобрано таким, что каждый следующий датчик сдвинут на половину диаметра датчика в сторону прозвучивания, кроме того, сканирование осуществляется в обе стороны (рисунок 10).

Рисунок 10 — Схема работы системы ультразвукового дефектоскопа CD

При этом обеспечивается избыточное сканирование всех участков стенки трубы, благодаря чему осуществляется более надежное обнаружение трещин на фоне возможных ложных сигналов из-за изменений геометрии стенки трубы. Кроме того, часть датчиков расположены перпендикулярно стенке трубы для осуществления толщинометрии. Это необходимо для измерения реальной толщины стенки, а также для обнаружения поперечных швов и арматуры, что необходимо для точной привязки дефектов. В реальности количество датчиков, например, для прибора (для труб диаметром 720 мм) составляет 480 датчиков, расположенных на 16 полозах, при этом 240 датчиков сканируют по часовой стрелке, 240 — против часовой стрелки. На каждом полозе установлены два датчика для осуществления толщинометрии.

Датчики установлены на полиуретановых полозах, из которых монтируется очень гибкий носитель, обеспечивающий неизменное расстояние между датчика-ми и внутренней поверхностью трубы, а также поддерживается необходимый угол падения ультразвукового луча.

Для обнаружения продольных трещин используется носитель с поперечным наклоном датчиков. Для обнаружения поперечных трещин используется носитель с продольным наклоном датчиков.

Вследствие необходимости использования большого количества датчиков, а также сложных алгоритмов обработки информации, резко возрастает объем электроники, потребляемая мощность и, как следствие, количество секций и длина внутритрубного дефектоскопа.

Внутритрубный дефектоскоп типа CD (рисунок 11) состоит из нескольких стальных герметичных секций (для диаметра 1020/1220 мм — из 2-х, 820 — 426 мм — из 3-х) и носителя датчиков. На ведущей (батарейной) секции установлен приемопередатчик и три одометрических колеса, два из которых работают в системе измерения расстояния, а третий участвует в назначении частоты опросов датчиков. При вращении этого колеса, независимо от скорости движения (в диапазоне скоростей от 0,25 до 1 м/с), через каждые 2−3 мм дистанции вырабатывается сигнал на запуск ультразвуковых систем. При скорости более 1 м/с ультразвуковые системы запускаются с постоянной частотой от встроенного генератора, что приводит к уменьшению разрешающей способности прибора, а при обследовании поперечных дефектов и к необнаружению части дефектов.

В других секциях расположены ультразвуковые блоки, а также модули электроники и записи данных. Прибор снабжен программируемой микропроцессорной системой управления, маркерным приемопередатчиком и маятниковой системой вертикали. Прибор обнаруживает дефекты минимальной длины 50 мм, минимальной глубины 1,5 мм.

Система управления и контроля дефектоскопа обеспечивает: управление сбором и накоплением диагностической информации; регистрацию данных от ультразвуковых датчиков; регистрацию пройденного пути; регистрацию времени работы; передачу информации.

Рисунок 11 — Внутритрубный дефектоскоп типа CD

2.3 Ультразвуковой внутритрубный комбинированный дефектоскоп для прямого высокоточного измерения толщины стенки трубы и обнаружения трещин на ранней стадии (WM&CD)

Рисунок 12 — Ультразвуковой внутритрубный комбинированный дефектоскоп для прямого высокоточного измерения толщины стенки трубы и обнаружения трещин на ранней стадии (WM&CD)

ультразвуковой внутритрубный дефектоскоп Ультразвуковой комбинированный дефектоскоп предназначен для внутритрубного ультразвукового обследования магистральных трубопроводов с целью измерения остаточной толщины стенки и обнаружения продольных или поперечных трещин, в том числе в поперечных и продольных сварных швах. Дефектоскоп позволяет осуществлять, как комбинированное (одновременное), так и раздельное обследование трубопроводов, при котором проводится только измерение остаточной толщины стенки (вариант толщиномера) или только выявление трещин, продольных или поперечных (вариант детектора трещин).

В дефектоскопах используется метод, основанный на акустическом эхо-импульсном зондировании стенки трубопровода с использованием ультразвуковых иммерсионных преобразователей совмещенного типа с перпендикулярным (толщиномер) и наклонным (детектор трещин) вводом луча в стенку трубопровода.

а

б

в

а — стресс-коррозия; б — продольная трещина; в — плены Рисунок 5- дефекты, обнаруживаемые при проведении ультразвуковой диагностики трубопровода

3. Принцип действия ультразвуковых дефектоскопов Физической основой ультразвуковой дефектоскопии является свойство ультразвуковых волн отражаться от несплошностей. Действие приборов ультразвукового контроля основано на посылке ультразвуковых импульсов и регистрации отраженных акустических эхо-сигналов или ослабленных сигналов (в случае нахождения приемника сигналов в акустической тени, созданной дефектом). Посылка ультразвуковых импульсов и прием ультразвуковых сигналов производится пьезоэлементами (пьезоэлектрическими преобразователями), преобразующими переменное электрическое поле в акустическое поле и наоборот.

Чтобы ввести ультразвуковые волны в контролируемое изделие, между пьезопреобразователем-искателем и изделием необходимо обеспечить акустический контакт. Существуют два метода обеспечения такого контакта: контактный и погружной (иммерсионный). При контактном методе поверхность изделия смазывают минеральным маслом, глицерином, солидолом, специальной магнитной жидкостью, водой, гелем, и т. д. При иммерсионном методе контролируемое изделие и преобразователи находятся в среде или потоке жидкости. При этом между преобразователем и контролируемым изделием непосредственный контакт отсутствует, ввод ультразвуковых колебаний осуществляется через слой жидкости. При проведении контроля в технологическом процессе в качестве иммерсионной жидкости обычно используется вода, при проведении внутритрубного контроля нефтепродуктопроводов перекачиваемый продукт, в газопроводах — жидкостная пробка.

В зависимости от типа дефекта ввод ультразвуковых волн осуществляется по нормали или под определенным углом к поверхности изделия. Во внутритрубных дефектоскопах преобразователи устанавливаются в гибком носителе, обеспечивающем фиксированный отступ между излучающей поверхностью преобразователя и внутренней поверхностью трубопровода.

Маркерная система дефектоскопа и система определения местной вертикали построены аналогично системам внутритрубного профилемера. Внешние маркерные передатчики располагаются в точно определенных местах вдоль трассы нефтепровода, благодаря чему точность определения координат дефектов достигает ± (20 — 25) см.

Данные, непрерывно поступающие от ультразвуковых датчиков, записываются одновременно с информацией одометрических колес, местной вертикали, временными метками и поступающими сигналами маркеров, благодаря чему при обработке данных осуществляется привязка информации к местности и окружности трубы.

4. Область применения ультразвуковой дефектоскопии Областью применения ультразвуковой дефектоскопии является линейная часть магистральных трубопроводов.

Обобщен опыт диагностики ультразвуковым дефектоскопом WM участков нефтепровода ВСТО, законченных строительством. Описаны последовательность выполнения работ, применяемые технологии и результаты.

В 2007;2008 гг. ОАО"ЦТД"Диаскан" провел внутритрубную диагностику ультразвуковым дефектоскопом WM первой очереди трубопроводной системы Восточная Сибирь — Тихий Океан (ТС ВСТО).

С апреля по ноябрь 2007 г. обследовано 36 участков нефтепровода общей протяженностью 891 км. В 2008 г. выполнена внутритрубная диагностика 28 участков ТС ВСТО общей протяженностью 999,3 км.

Диагностика проводится тремя дефектоскопами WM диаметром 1020/1067/1220 мм, которые предназначены для выявления дефектов геометрии трубопровода (вмятина, гофр), дефектов стенки трубопровода (потеря металла, механические повреждения стенки трубы), дефектов поперечных сварных швов (смещение, разнотолщинность).

В целях сокращения сроков выпуска технических отчетов обработка диагностической информации производится непосредственно на месте проведения работ в круглосуточном режиме. В зависимости от протяженности участка срок передачи технического отчета заказчику и подрядчику составляет от 16 до 153 ч. после извлечения дефектоскопа из камеры приема средств очистки и диагностики.

Диагностическое обследование построенных участков первой очереди ТС ВСТО с использованием ультразвуковых дефектоскопов WM показало высокую (99,5%) сходимость результатов внутритрубной диагностики и дополнительного дефектоскопического контроля, что позволяет сделать вывод о том, что по результатам внутритрубной диагностики были выявлены и устранены все дефекты трубопровода.

Результаты внутритрубной диагностики участков ТС ВСТО показали возможность увеличения протяженности диагностируемого участка с 40 до 65 км, что позволило сократить сроки и уменьшить затраты на проведение работ по очистке и диагностике.

По инициативе ООО «Востокнефтепровод» внесены соответствующие изменения в Регламент по очистке, гидроиспытанию и профилеметрии нефтепровода ВСТО после завершения строительно-монтажных работ.

Результаты диагностического обследования первой очереди нефтепровода ВСТО с использованием ультразвуковых дефектоскоповWM подтвердили необходимость проведения внутритрубного диагностического обследования законченных строительством трубопроводов как одного из элементов действующей в ОАО АК «Транснефть» системы контроля качества строительно-монтажных работ на линейной части нефтепроводов.

Список используемой литературы

1 Шаммазов А. М. Основы технической диагностики трубопроводных систем нефти и газа / А. М. Шаммазов, Б. Н. Мастобаев, А. Е. Сощенко, Г. Е. Коробков, В. М. Писаревский // Учебник для вузов — 2009 — 512 с.

2 http://neftegaz.ru/science/view/424