Разработка устройств и технологий повышения достоверности автоматизированного ультразвукового контроля сварных трубопроводов

Сегодня в России, по данным территориальных органов Госгортехнад-зора, эксплуатируются около 230 тыс. км трубопроводов различного назначения, более 60% из которых — газопроводы. Около 40% магистральных трубопроводов (по протяженности) отработали более 20 лет, приблизительно такой же возраст у 15% газоперекачивающих агрегатов. Уровень аварийности в 1996;1999 гг. только на газопроводах составлял 0,18−0,21 аварии на 1000 км, а в 2000 г. возрос до 0,24−0,26.

С 1992 по 2000 г. аварии происходили по следующим причинам: 34,7% - из-за внешних силовых воздействий на трубопроводы в основном землеройной и гусеничной техники- 24,7% - из-за нарушений норм и правил производства работ при строительстве и ремонте- 23,5% - из-за коррозионных повреждений труб, запорной и регулирующей арматуры- 12,4% -из-за нарушений технических условий при изготовлении труб и оборудования на заводах- 4, 7% - из-за ошибочных действий ремонтного и эксплуатационного персонала.

В работах Чабуркина В. Ф. показано, что на долю сварки приходится 40% отказов, выявляемых при испытаниях давлением новых трубопроводов. Мировой опыт свидетельствует о необходимости расширения использования неразрушающего контроля в различных отраслях промышленности, в том числе и строительстве и контроле трубопроводов. Так расходы на проведение операций по неразрушающему контролю в отрасли «трубопроводный транспорт» в США составляют 0,10 долл. на единицу конструкции, а в России 0,03 долл. на единицу конструкции.

Часто применяемый радиографический способ имеет низкую (35−60%) достоверность обнаружения плоскостных дефектов. Применение же ультразвукового контроля (УЗК) позволяет повысить вероятность обнаружения плоскостных трещиноподобных дефектов до 95−97%.

Одной из основных трудностей, сдерживающих применение УЗК, является отсутствие документа при ручном УЗК. Кроме того, большое влияние на достоверность ручного УЗК имеет человеческий фактор". Исследования, выполненные А. К. Гурвичем, В. Ф. Лукьяновым, Б. Маргит-ройдом и другими, показали, что на результаты контроля существенно влияют профессиональные навыки, стаж работы, длительные перерывы в работе, психофизиологические факторы (устойчивость внимания, темперамент и т. п.), социальные факторы, стимулы к труду, условия работы, моральные качества дефектоскописта. Разброс в результатах контроля в лабораторных условиях из-за влияния «человеческого фактора» достигает десятков процентов, а при недобросовестном отношении или отсутствии стимула к труду выявляемость дефектов может опускаться до нуля даже при применении хорошей техники контроля.

Исходя из этих и других исследований, обычно рекомендуют для снижения отрицательных последствий «человеческого фактора» следующее:

1) повышать мотивацию труда дефектоскопистов,.

2) строгий отбор дефектоскопистов,.

3) тренировку и периодическую аттестацию персонала,.

4) применение автоматизированных и механизированных средств контроля,.

5) автоматическое документирование результатов контроля,.

6) повышение административной и уголовной ответственности за невыполнение должностных обязанностей.

К техническим методам относятся 4 и 5 пункты. Именно они и являются предметом настоящей диссертации.

Для автоматизации процесса ультразвукового контроля (УЗК) необходим специальный механизм сканирования (МС) пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП), который должен перемещать акустическую систему вдоль шва. При этом можно выделить два подхода к конструированию МС:

1. МС обеспечивает возвратно-поступательное движение ПЭП, повторяющее движения дефектоскописта при ручном контроле.

2. МС обеспечивает продольное сканирование многоэлементными акустическими системами.

Системы, использующие продольное сканирование, существенно проще по конструкции и, следовательно, надёжнее. Такие разработки есть у фирм «RTD» (Голландия) — «Ротоскан» и «Бэндскан», «СГС Сономатик» (Англия) — UPS-1109 и «Орбискан» (Intercontrole, Франция) и др. Однако, эти системы обладают существенным недостатком: для задания направления перемещения и удержания механизма сканирования используются устанавливаемые вручную направляющие элементы.

Такое техническое решение отличается простотой конструкции МС, но осложняет его эксплуатацию. При неточной установке направляющих элементов достоверность контроля резко ухудшается. Установка и юстировка направляющих при контроле сварных стыков трубопроводов больших диаметров является весьма трудоёмкой операцией. Особенно она усложнена при проведении работ в неблагоприятных климатических условиях Сибири и Крайнего Севера.

На наш взгляд, более перспективный подход заложен в установке «Ав-токон МГТУ», где перемещение акустического блока вдоль сварного шва осуществляется механизмом сканирования (МС) на магнитных колесах, а отслеживание сварного шва в процессе сканирования — с помощью специальных датчиков слежения и системы управления. Недостатком указанного устройства является неудовлетворительное отслеживание оси сварного шва и недостаточная устойчивость механизма сканирования.

Цель работы: повышение достоверности ультразвукового контроля путём применения автоматизированных и механизированных средств контроля с автоматическим документированием результатов контроля.

Задачи исследования:

1. Проанализировать ошибки измерения применительно к автоматизированному ультразвуковому контролю, возникающие, в основном, из-за несовершенства следующих элементов: а) механизма перемещения преобразователя и системы слежения за швом, б) системы подачи контактной жидкости и слежения за качеством акустического контакта, в) акустического блока с преобразователями. г) системы обработки, передачи и отображения информации.

2. Усовершенствовать существующие схемы МС в плане устойчивости 4 движения и влияния на характер движения предварительных установок, задаваемых вручную.

3. Рассмотреть существующие конструкции датчиков слежения за швом (ДСШ) как основу автоматизации системы сканирования и выбрать их оптимальную для соответствующих условий конструкцию.

4. Построить математическую модель движения МС и проанализировать зависимость устойчивости движения МС от параметров системы и внешних воздействий.

5. Оптимизировать схемы и параметры МС и ДСШ по критерию минимальной чувствительности к действию мешающих внешних факторов и минимальным требованиям к квалификации обслуживающего персонала.

6. Проанализировать влияние качества акустического контакта (АК) на достоверность ультразвукового контроля, а именно: а) Влияние состава контактной жидкости на качество АК. б) Влияние различных способов оценки качества АК на достоверность ультразвукового контроля.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. На основе решения характеристического уравнения разработан алгоритм определения границ устойчивости МС в зависимости от схемы МС, её размеров, скорости движения, чувствительности датчиков, начальной установки МС и т. д.

2. На основе решения системы дифференциальных уравнений разработана математическая модель движения МС, описывающая кинематику МС.

3. На основе анализа устойчивости движения МС выработана методика построения МС с минимальным количеством оперативных ручных регулировок при соблюдении заданных параметров движения.

4. На основании сравнительных исследований влияния различных способов оценки АК на достоверность АУЗК предложен модернизированный метод оценки АК.

Практическая ценность работы: 1. Разработан МС, обеспечивающий слежение за сварным швом акустической системой (АС) с необходимой точностью без применения дополнительных механических направляющих и не требующий регулировок при изменении высоты и конфигурации сварного шва.

3. Разработан новый ДСШ, имеющий компенсацию погрешности слежения при перекосе кромок сварного шва, нередко встречающегося при сварке в полевых условиях.

4. На основе экспериментальных исследований даны рекомендации состава контактной жидкости в зависимости от условий контроля.

Общие выводы и результаты.

Для повышения достоверности автоматизированного ультразвукового контроля надо применять меры, позволяющие свести к минимуму ошибки, а именно:

1. Применение системы сканирования с жестким закреплением направляющих устройств на изделии не обеспечивает надежное выявление дефектов в сечении шва из-за возможной неточности установки этих устройств. Поэтому желательно использовать системы с автоматическим слежением за швом.

2. Как показали исследования, перспективными являются МС с симметричным расположением магнитных колес относительно сварного шва и с датчиком слежения за швом (ДСШ), вынесенным вперед перед МС. Рассматривались два варианта крепления ДСШ, а именно, к несущей раме и к управляемым передним колесам. Во втором варианте механизма сканирования достигается: а) повышение устойчивости благодаря новой конструкции крепления ДСШ, позволяющей обойтись без обратной связи по углу поворота. б) Исключается электромеханическое устройство — датчик руления, требующий регулировки, снижающий надёжность и повышающий стоимость. в) Благодаря увеличению диапазона возможных значений чувствительности ДСШ, исключается ее оперативная регулировка, что снижает требования к квалификации персонала. г) Благодаря увеличению диапазона возможных значений чувствительности ДСШ, исключается регулировка высоты ДСШ над поверхностью трубы, что снижает требования к квалификации персонала, удешевляет механизм и повышает его надежность. д) Уменынается (в нашем случае на порядок) постоянная времени следящей системы МС, что соответственно уменьшает время возвращения.

МС на ось шва и уменьшает зону потерь акустического контакта (во столько же раз) после прохождения препятствий, например через продольный шов и т. п.

3. На основе экспериментальных исследований надежности совместной работы элементов АУЗК в полевых условиях было выявлено, что: а) кабель питания и связи ограничивает свободу действий оператора, требуя нахождения компьютера рядом с проверяемым швом, что часто неприемлемо по климатическим соображениям, б) наличие кабеля питания и связи с разъемом, который отстыковывается после каждого оборота МС вокруг трубы, снижает надежность системы АУЗК, приводя к потерям информации и полным отказам системы из-за замасливания и загрязнения контактов разъёма, неизбежных при работе в полевых условиях.

4. На основе расчета помехоустойчивости каналов связи между элементами системы АУЗК установлено, что минимальные потери информации при обработке и передаче сигналов дефектоскопа достигаются при расположении на борту МС аналоговой части дефектоскопа и блока предварительной цифровой обработки сигнала.

5. Для снижения искажений и потерь информации при ее обработке и передаче целесообразно организовать предварительную обработку информации на борту МС и избавиться от разъема на корпусе МС, требующего перестыковки после прохождения каждого кольцевого сварного шва.

6. Данные идеи были реализованы в следующем виде: а) МС выполняется с аккумуляторным питанием при расположении на борту МС аналоговой части дефектоскопа и блока предварительной цифровой обработки сигнала и запоминанием обработанной информации на несколько стыковб) После прохождения 10−15 стыков МС подключается к внешнем, компьютеру, который уже может находиться в закрытом помещении. климатические требования к нему могут быть резко ослаблены. Связь между МС и внешним компьютером осуществляется через короткий кабель или по радиоканалу.

7. Чтобы обеспечить точность слежения за швом, был разработан новый датчик слежения за швом (ДСШ), отличающийся от ранее применяемых совокупностью следующих особенностей: а) ДСШ выполнен электромагнитным, что в отличие от механических, исключает механический износ, а в отличие от акустических, исключает влияние нестабильности АК, б) для исключения наведенных помех применена схема параметрического включения катушек, в) для компенсации влияния перекоса кромок сварного шва в датчик введены дополнительные компенсирующие катушки.

Эти меры обеспечили точность слежения ± 1 мм при перекосе кромок до 4 мм (при норме ВСН не более ± 1мм) и изменении высоты ДСШ над швом от 0 до 9 мм, что позволило исключить регулировку положения ДСШ над швом.

8. Для повышения точности определения продольной координаты дефекта целесообразно использовать: а) Датчик начала контроля жидкостного типа, срабатывающий при горизонтальном положении МС (для определения зенита траектории), б) Двухканальный датчик пути с квадратурными каналами для исключения влияния вибрации, люфтов в редукторе и других отрицательно влияющих факторов.

9. Выработана методика построения МС с минимальным количеством оперативных ручных регулировок при соблюдении заданных параметров движения.

Ю.Разработана методика настройки ДСШ в полевых условиях без использования дополнительных средств.

11 .Установлено, что при использовании автоматизированного УЗ контроля наблюдается значительная нестабильность качества акустического контакта (АК) порядка 5-И 5 дБ, которая может быть компенсирована введением АРУ по каждому каналу, а также применением специальных контактных жидкостей, например раствора ПАВ в воде, что позволило уменьшить протяженность части сварного шва с неудовлетворительной достоверностью с 7% при использовании машинного масла до 1,4% для указанного раствора.

12.Наиболее универсальным и максимально технологичным является метод определения качества АК опорный сигнал для которого формируется в результате обратного отражения в призму наклонного преобразователя от его границы с изделием продольной волны с дополнительной математической обработкой и адаптацией к шероховатости поверхности изделия. Этот метод не требует внесения изменений в конструкцию ПЭП и технологию контроля.

13.Для уменьшения влияния качества акустического контакта на результаты измерений необходимо использовать контактные жидкости высокого качества. По возрастанию качества контактных жидкостей можно привести ряд: машинное масло, магнитная жидкость, вода с ПАВ.

М.Разработанная аппаратура и технологии автоматизированного УЗ контроля прошла промышленную апробацию в различных организациях нефтегазового комплекса.