6.4.2. Современные методы аппаратурной диагностики трубопроводов

В настоящее время большое внимание уделяется созданию новых технических средств инструментального контроля и диагностики для всех видов строительно-монтажных работ и эксплуатации магистральных трубопроводов, разработкам в области дефектоскопии металла трубопроводов, включающей в себя такие методы неразрушающего контроля, как электромагнитная, гамма-лучевая и ультразвуковая дефектоскопия, а также голография и другие новые методы. Интересны разработки, сделанные за рубежом, в области контроля изоляционного покрытия труб, поиска утечек в трубопроводах и т.п.

Рассмотрим краткие характеристики основных аппаратурных методов инструментального контроля и технического диагностирования трубопроводов в процессе строительства, нацеленных на повышение их конструктивной надежности и экологической безопасности.

6.4.2.1. Рентгеновская дефектоскопия трубопроводов

Качество электросварного трубного стыка в полевых условиях проверяется переносным рентгеновским аппаратом с записью на рентгенографическую пленку.

Для контроля качества сварных соединений в конструкциях трубопроводов большой протяженности используют импульсные рентгеновские аппараты. Преимущества импульсных рентген-аппаратов: их малая масса и габариты, высокая проникающая способность излучения, а следовательно, и малое время экспозиции, простота обслуживания и ремонта.

Существует серии отечественных и зарубежных автоматических самоходных рентгеновских аппаратов для просвечивания изнутри сварных стыков трубопроводов диаметром от до 1420 мм. Помещаемый в трубу моноблок такого аппарата состоит из двух секций, соединенных муфтой. В передней секции размещена рентгеновская трубка (250 кВ, 5 Ма), установленная в самоцентрирующемся шасси, обеспечивающим заданное положение трубки в трубопроводе. Задняя секция содержит приводной узел, источник питания, регуляторы электрических параметров и автоматику. Аппарат перемещается по трубопроводу со скоростью до 18 м/мин, беспрепятственно проходит допустимые радиусы изгиба трубопровода и преодолевает подъемы крутизной до 20°. Производительность его составляет не менее 10 стыков/ч. Аппарат содержит устройства автоматического обнаружения сварного шва и установки рентгеновской трубки, позволяющие совместить основной рентгеновский луч с осью сварного шва с точностью до ±6 мм.

Установка снабжена внешним командным узлом, в котором используется источник радиоактивного излучения "Кобальт 60" мощностью не менее 100 мкКюри. Сигнал от командного узла поступает к оператору (находящемуся снаружи), который прекращает экспонирование, если в трубопроводе встречено препятствие, возвращает установку назад. Аппарат может автономно без подзарядки перемещаться в трубопроводе на расстояние нескольких километров и работать в широком диапазоне температур от -40 до +60 °С. Общая масса всей установки (для трубы диаметром 1420 мм) составляет 330 кг. Она снабжена устройствами для подъема и транспортирования, имеет брызгозащитное и ударостойкое покрытие, звуковую и световую сигнализацию радиационной опасности.

Существуют панорамные самоходные рентгеновские аппараты моделей, которые с достаточной надежностью позволяют производить рентгеноскопию сварных стыков трубопроводов диаметром от 914 до 1524 мм. Панорамное просвечение производится по всей окружности одновременно пучком излучения, имеющим угол направленности 30°, что обеспечивает высокую производительность рентгеноскопии. Аппарат снабжен автоматическими устройствами обнаружения сварного стыка и точной фиксации поперечной плоскости излучения, что позволяет работать в автономном режиме. Оператор может осуществлять остановку аппарата, холостой или обратный ход, первоначальное или повторное просвечивание через пульт дистанционного управления.

6.4.2.2. Магнитографическая дефектоскопия трубопроводов

При испытании уложенных и засыпанных трубопроводов, ввиду невозможности доступа к трубе для размещения на ее поверхности рентгенографической пленки, для контроля состояния стенок трубы и сварных швов используются магнитные и электромагнитные методы контроля. Работы по созданию и использованию магнитографических дефектоскопов ведутся, во многих странах. Американская компания "Начурел Гэс Пайп лайн" первая использовала поршень, оснащенный магнитографической контрольно-измерительной аппаратурой для проверки состояния магистрального трубопровода во время эксплуатации.

Подобные установки, смонтированные на напорных поршнях, выпускаются многими компаниями мира. Осмотр магнитным поршнем с контрольным оборудованием и гидростатическое испытание трубопровода хорошо дополняют друг друга.

Метод магнитографического контроля состояния трубопровода изнутри заключается в следующем: два внутренних круглых магнита образуют продольное магнитное поле в трубе. Уменьшение толщины стенки труб вызывает "утечку" магнитного потока из стенки. Датчики магнитного потока, состоящие из катушек круглой формы, проходя через места утечки магнитного потока, подают определенный сигнал. Сигнал поступает в инструментальный отсек, имеющий электронное записывающее оборудование, способное обрабатывать и закладывать в память полученную информацию. После окончания работы поршня магнитофонную ленту вынимают, данные обрабатывают.

Электромагнитная дефектоскопическая установка, смонтированная на трехсекционном поршне, соединенном универсальными муфтами может проходить поворотные участки трубопровода. Круговой сварной шов и фитинги также составляют свои линии. Они располагаются вертикально по отношению к остальным и таким образом помогают определить места аномальностей в трубе. Место расположения аномальных явлений на трубе определяется от ближайшей отметки расстояний обследованной трубы. Счетчик длины также регистрирует скорость движения поршня и передает данные об этом для автоматического контроля. Это обеспечивает равномерное движение поршня и получение единообразных амплитуд записи аномальностей. На нижней части диаграммы канал ориентации делает свою запись и управляет вращением поршня, что позволяет определять место дефекта по окружности.

6.4.2.3. Контроль напряженного состояния трубопровода

Контроль напряженного состояния трубопровода имеет существенное значение для оценки несущей способности конструкции, устойчивости трубопровода и его прочности, а также прогнозирования работоспособности трубопровода на период его эксплуатации. В настоящее время имеется много различных методов и систем контроля, обеспечивающих оценку напряженного состояния трубопроводов. Условно такие разработки можно разделить на три самостоятельные группы для контроля: деформации стенки трубы по сечению трубы; искривления трубопровода (по продольной оси); повреждения стенки трубопровода (включая наличие дефектов поверхности и структуры металла).

6.4.2.4. Контроль деформации стенки трубы

Контроль деформации стенки трубы осуществляется с помощью регистрации ее деформаций магнитоупругими датчиками. Типовая конструкция блока магнитоупругих датчиков состоит из двух шарнирных центраторов и четырех корпусов датчиков. Корпуса датчиков встраивают радиально через 90° в общую обойму, где каждый прижимается к внутренней поверхности трубы специальной пружиной. Корпуса свободно перемещаются в обойме. Зазор датчиков с трубой фиксируется с помощью упоров из высококачественной стали. Наиболее серьезным фактором, обусловливающим погрешность при измерении деформаций магнитоупругим методом, является магнитоупругий гистерезис. Метод магнитоупругого тензометрирования напряжений в стенках труб применим до температуры точки Кюри (т.е. точки перехода материала из ферромагнитного состояния в парамагнитное).

6.4.2.5. Контроль искривления продольной оси трубопровода

Периодические измерения кривизны трубопровода подтверждают его устойчивость и дают количественную информацию для прогнозирования его долгосрочной работы.

В состав прибора для контроля линейной формы входит устройство, измеряющее и регистрирующее кривизну, овальность и другие параметры трубопровода через каждые 1,2 м. В головной секции этого трехсекционного шарнирного блока расположен источник энергоснабжения, в средней секции - измеритель расстояний, в задней секции - электронные приборы. Измерения записываются цифровым ленточным регистром. Записанная информация обрабатывается на ЭВМ. Паразитные шумы отсеиваются. Таким образом получают информацию о кривизне трубопровода. Прибор обнаруживает изменения кривизны величиной от 0,075 °/м. Давление, температура, скорость потока и наличие грата также регистрируются прибором с точностью ± 5 %.

6.4.2.6. Контроль повреждения стенки трубопровода

Наиболее прогрессивными методами такого контроля, имеющими важное практическое значение для строительства и испытаний магистральных трубопроводов, являются метод топографический, акустической эмиссии и голографии.

Преимущество метода голографии измерения по сравнению с обычными методами заключается в получении наглядной информации, которая позволяет быстро определять зоны высокой нагрузки. Преимущество топографического метода - наличие в нем эффекта параллакса, обусловливающего сохранение информации о распределении амплитуд и фаз волнового поля по исследуемому объекту.

Голографическая интерферометрия в оптическом диапазоне позволяет получать сведения о внутренних дефектах трубопровода, проявляющихся в деформации поверхности. Для их выявления изделие подвергается однородной тепловой или механической деформации, приводящей к незначительному смещению поверхности. Поврежденные участки поверхности, под которыми расположены дефекты, отличаются по величине перемещения на несколько микрон и легко обнаруживаются по частоте и расположению интерференционных полос на восстановленном изображении. Метод контроля в основном качественный.

Чтобы использовать все возможности голографии, необходим комплекс измерительной аппаратуры, в который входят стенды для записи голограмм; устройства восстановления изображения; автоматические устройства считывания координат восстановленного изображения (или считывания координат интерферентных полос на восстановленном изображении); устройства ввода - вывода информации в ЭВМ и соответствующие программы их обработки; устройства корреляционной обработки.

В последнее время быстро развивается новое направление неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния трубопроводной конструкции, основанное на явлении акустической эмиссии. Акустико-эмиссионные методы нашли свое конструктивное воплощение в различных приборах, используемых для обнаружения, измерения и регистрации дефектов. Эти приборы позволяют фиксировать дефект еще задолго до его перехода в критическое состояние (при котором начинается процесс необратимого ускоренного развития, переходящий в стадию разрушения конструкции).

Местоположение источника акустической эмиссии (АЭ) определяют так, чтобы обнаружить местоположение дефекта, который является источником АЭ, в сосудах давления и т.п. конструкциях, местоположение какой-либо трещины, изучить ее движение и развитие, принять решение о степени опасности ее, распознать сигналы АЭ, возникшие во внутренней области, от внешних шумов вне области наблюдения и др.

Такие испытания являются способом не только обеспечения надежности трубопроводов, но и контроля за его состоянием.

Чтобы повысить правильность оценки, применяется статистическая обработка информации. Цифровой способ обработки информации имеет большие преимущества и дает лучшие результаты, чем аналоговый способ. Для определения местоположения источника АЭ хорошие результаты получаются при хаотической расстановке датчиков, но наиболее часто используется способ упорядоченной установки датчиков (для удобства обработки информации). Расстояние между датчиками определяется коэффициентом затухания ультразвуковых волн, уровнем сигнала АЭ и шумов, т.е. отношением S/N (сигнал/шум), максимальный интервал составляет порядка 1,5 - 5 м.

Метрологическая эффективность метода акустической эмиссии зависит от решения задач, связанных с уменьшением влияния помех. Обычно это достигается увеличением частоты анализируемого сигнала. Поэтому при проектировании системы контроля утечек в трубопроводах следует оптимизировать частоту контролируемого сигнала с учетом двух противоречивых факторов: снижения частоты (для уменьшения затухания) и повышения частоты (для уменьшения влияния помех).