Основы технической диагностики нефтегазового оборудования

Рис. 6.2. Радиационные головки шланговых гамма-дефекгоскопов:

а— дефектоскоп РИД-К/100; 6 — дефектоскоп РИД-ИС/120Р;

в— дефектоскоп РИД-5е4Р

Ионизирующие излучения в целом с точки зрения воздействия на организм человека являются наиболее опасными из числа ис­ пользуемых в неразрушающем контроле, поэтому вся аппаратура, применяемая при радиационном контроле, подлежит обязатель­ ной сертификации и периодической переаттестации. К работе допускается специально обученный и аттестованный персонал, ко­ торый подвергается обязательному дозиметрическому контролю.

Рис.6.3. Оборудование для гаммадефектоскопии:

1 — дистанционный пульт управления и ампулопровод шлангового гаммадефектоскопа ГАММАРИД 192/120; 2 — радиационная головка ГАММАРИД 192/120; 3 - фрон­ тальный гамма-дефекгоскоп СТАПЕЛЬ-5М; 4 — фронтальный гамма-дефектоскоп СТАПЕЛЬ-20;

5 — фронтальный гамма-дефектоскоп СТАПЕЛЬ-20М

Из числа радиационных методов (см. табл. 1.2) для обнаружения и измерения внутренних дефектов в изделии используются методы прошедшего излучения. При прохождении через контролируемое из­ делие ионизирующее излучение ослабляется за счет его поглощения и рассеяния в материале изделия. Степень ослабления зависит от толщины изделия, химического состава и структуры материала, на­ личия в нем газовых полостей, сульфидных раскатов и других ино­ родных включений. В результате прохождения ионизирующего излу­ чения через контролируемое изделие детектором фиксируется рас­ пределение интенсивности дошедшего до него потока излучения, называемого радиационным изображением изделия. Наличие и ха­ рактеристики дефектов определяют по плотности полученного ра­ диационного изображения. Равномерная интенсивность излучения, дошедшего до детектора, свидетельствует об отсутствии дефектов. Уменьшение плотности радиационного изображения соответствует увеличению толщины контролируемого изделия, например в зоне сварных швов или брызг (капелек) металла от сварок. В свою очередь увеличение плотности соответствует участкам изделий с меньшей радиационной толщиной, имеющих дефекты. Схема радиа­ ционного контроля методом прошедшего излучения приведена на рис. 6.4.

Интенсивность доходящего до объекта излучения Ф0 зависит от исходного потока в точке выхода излучения Ф0, расстояния а до объ­ екта и особенностей самого излучения:

где R u b — константы, определяемые природой излучения.

После прохождения объекта интенсивность попадающего на де­ тектор излучения определится из выражения

Рис. 6.4. Схема радиационного контроля методом прошедшего излучения:

1 — источник излучения; 2 — объект контроля; 3 — дефект; 4 — детектор (кассета с пленкой); 5 —след отдефекта

Ф = Ф0 ехр(-|х8)Д

где |1 — коэффициент ослабления излучения материалом объекта; 5 — толщина объекта; В — фактор так называемого накопления, оп­ ределяемый экспериментально (при узком пучке лучей В ~

В связи с экспоненциальной зависимостью затухания интенсив­ ности ионизирующего излучения чувствительность контроля резко уменьшается с увеличением радиационной толщины, поэтому мак­ симальная глубина контроля ограничена и для переносных аппара­ тов обычно не превышает 200 мм, что является одним из недостат­ ков радиационного метода контроля.

Кроме того, весьма существенным недостатком является то, что трещины, радиационная толщина которых меньше заданного класса чувствительности, при радиационном методе контроля не выявляют­ ся. В первую очередь это относится к трещинам, ориентированным перпендикулярно или под малым углом к направлению ионизирую­ щего излучения.

Методы радиационного контроля прошедшим излучением разли­ чаются способами детектирования результатов взаимодействия излу­ чения с объектом контроля и, соответственно, делятся на радиогра­ фические, радиоскопические и радиометрические.

Радиографический метод неразрушающего контроля основан на преобразовании радиационного изображения контролируемого объек­ та в радиографический снимок или записи этого изображения на за­ поминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение. Для получения радиографических снимков используют кассеты со специальной радиографической (рентгеновской) пленкой, снабженные для повышения чувствительности усиливающими экра­ нами. В качестве детекторов радиационного изображения используют­ ся также полупроводниковые пластины, с которых изображение мето­ дом ксерорадиографии переносится на обычную бумагу.

Радиоскопический метод радиационного контроля основан на регистрации радиационного изображения на флуоресцирующем эк­ ране или на экране монитора электронного радиационно-оптическо­ го преобразователя. Достоинством радиоскопического метода явля­ ется возможность единовременного контроля изделия под разными углами и, соответственно, стереоскопического видения дефектов. При радиометрическом методе радиационное изображение преобра­ зуется посредством сканирования в цифровую форму и фиксируется на соответствующем носителе информации — дискете, магнитной ленте. В дальнейшем эта информация переносится в компьютер для последующей обработки и анализа.

Для целей технической диагностики эксплуатируемого оборудо­ вания применяют радиографический метод контроля, реализуемый посредством относительно простого переносного комплекта обору­ дования, позволяющего получить документальное подтверждение результатов контроля в виде радиографического снимка.

(. Сварные соединения чаще всего являются наиболее слабым зве­ ном металлоконструкции, поэтому их контролируют в первую оче­ редь. Радиационному контролю подвергают сварные соединения с отношением радиационной толщины (толщина в направлении иони­ зирующего излучения) наплавленного металла шва к общей радиа­ ционной толщине не менее 0,2, имеющие двусторонний доступ, что обеспечивает возможность установки кассеты с радиографической пленкой с одной стороны и источника излучения с другой. Тип ис­ точника, его удаление от объекта контроля, время экспозиции и дру­ гие параметры устанавливаются в зависимости от толщины просве­ чиваемого материала и технической документации на контроль свар­ ных соединений.

Основные схемы контроля стыковых, нахлесточных, угловых и тавровых соединений приведены на рис. 6.5, а. Наибольшую слож-

Рис. 6.5. Схемы контроля:

а — стыковых, нахлесточных, угловых и тавровых сварных соединений; б — кольцевых сварных соединений; 1 — источник излучения; 2 — контролируемый участок; 3 — кассета с пленкой

ность представляет контроль кольцевых сварных соединений цилин­ дрических и сферических пустотелых изделий (труб, сосудов под давлением, бочек и т.п.). Рекомендуемые схемы контроля кольцевых сварных соединений по ГОСТ 7512-82 приведены на рис. 6.5, б I, II — просвечивание через одну стенку с наружным расположением источника излучения; III, IV, V — просвечивание через две стенки; VI, VII, VIII — просвечивание с расположением источника излуче­ ния внутри контролируемого объекта. Для обеспечения лучшего ка­ чества радиографических снимков следует, как правило, использо­ вать схемы просвечивания через одну стенку изделия. При этом ре­ комендуется применять схемы просвечивания с расположением источника излучения внутри контролируемого изделия.

^Радиографический контроль следует проводить после зачистки сварных соединений от неровностей, шлака, брызг металла, окалины и других наружных дефектов, выявленных при внешнем осмотре сварного соединения, изображения которых на снимке могут поме­ шать расшифровке снимка. Каждый снимок участка контролируемо­ го соединения должен иметь маркировку.

Чувствительность радиографического контроля оценивается ве­ личиной минимально выявляемого дефекта в направлении просве­ чивания. Достижимая на практике чувствительность составляет 2 % от толщины изделия при просвечивании рентгеновским излучением и 5 % при просвечивании гамма-излучением [12]. В общем случае чувствительность радиографического контроля зависит от энергии излучения, плотности ее распределения в пределах контролируемого участка и общей нерезкое™ радиографического снимка.

Общая нерезкость при радиографическом контроле характеризу­ ется размытостью краев изображения на снимке. Величина общей нерезкости зависит от следующих ее составляющих: геометрической нерезкое™, внутренней нерезкости излучения, нерезкости рассеяния излучения, нерезкости смещения (возникает в случае колебания при просвечивании источника излучения, объекта контроля и детектора). Наибольший вклад в общую нерезкость изображения вносит обычно геометрическая нерезкость, схема образования которой приведена на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Схема образования геометрической нерезкости при радиографическом контроле:

1 — источник излучения; 2 — дефект; 3 — объект контроля; 4 — кассета с пленкой

7. МАГНИТНЫЙ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ

7.1. Область применения и классификация

Магнитное поле является материальным продолжением тела за пределы его молекулярной структуры и обнаруживается по много­ численным проявлениям. Наиболее известными из них являются его индукционное и электрическое действия, которые можно измерить и использовать для целей неразрушающего контроля.

Магнитный вид неразрушающего контроля применяют в основ­ ном для изделий из ферромагнитных материалов. Магнитные харак­ теристики таких материалов являются информативными параметра­ ми, так как зависят от их физико-механических свойств, химическо­ го состава, вида механической и термической обработки, а также от размеров и сплошности изделий.

К числу информативных параметров, используемых в магнитном неразрушающем контроле (НК), относятся: коэрцитивная сила # с, намагниченность М, остаточная магнитная индукция Вп начальная или максимальная магнитная проницаемость р, параметры петли гистерезиса В(Н), параметры скачков Баркгаузена, параметры маг­ нитооптического эффекта и др. (см. табл. 1.2).

По способу получения первичной информации различают сле­ дующие методы магнитного контроля:

• магнитопорошковый (МП), основанный на регистрации маг- Китных полей рассеяния над дефектами с использованием в качестве

ндикатора ферромагнитного порошка или магнитной суспензии;

•магнитографический (МГ), основанный на регистрации маг­ нитных полей рассеяния с использованием в качестве индикатора (ферромагнитной пленки;

•феррозондовый (ФЗ), основанный на измерении напряженно­ сти магнитного поля феррозондами;

•эффекта Холла (ЭХ), основанный на регистрации магнитных полей датчиками Холла;

•индукционный (И), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния по величине или фазе индуктируемой ЭДС;

•пондеромоторный (ПМ), основанный на регистрации силы от­ рыва (притяжения) постоянного магнита или сердечника электро­ магнита от контролируемого объекта;

•магниторезисторный (МР), основанный на регистрации маг­ нитных полей рассеяния магниторезисторами;

•магнитооптический (МП), основанный на визуализации до­ менной структуры материала с помощью феррит-гранатовой пленки

сзеркальной подложкой.

С помощью перечисленных методов можно осуществить кон­ троль сплошности (МП, МГ, ФЗ, ЭХ, И, МР, МО), размеров (ФЗ, ЭХ, И, ПМ), структуры и физико-механических свойств (ФЗ, ЭХ, И, МО).

Ниже рассматриваются физическая сущность магнитного кон­ троля и некоторые из методов, наиболее часто применяемые в прак­ тике технического диагностирования объектов нефтегазовой про­ мышленности.

7.2. Магнитные характеристики ферромагнетиков

Ферромагнитные материалы относятся к веществам, которые под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля спо­ собны намагничиваться. При этом они сами в окружающем про­ странстве создают магнитное поле. Степень намагниченности опре­ деляется вектором намагниченности Л/, который пропорционален вектору напряженности Н поля, создаваемого ферромагнетиком. Ко­ личественно намагниченность, А/м, определяется из выражения

где V — объем вещества; т — элементарный магнитный момент. Степень намагниченности М различных материалов под воздей­

ствием одного и того же намагничивающего поля напряженностью Н неодинакова. Она зависит от вида материала и его состояния (тем­ пература, наличие структурных повреждений и т.д.). Для количест­ венной оценки способности вещества намагничиваться в магнитном поле вводят безразмерную характеристику — магнитную восприим­

чивость Хпг Для изотропного вещества, свойства которого одинаковы во всех направлениях, связь между намагниченностью М и напря­ женностью магнитного поля Н устанавливается соотношением

М

Напряженностью магнитного поля Н (векторная величина) назы­ вается сила, с которой единичный полюс в данной точке простран­ ства отталкивается или притягивается. Напряженность магнитного поля равна силе, отнесенной к единичному полюсу, Н = F/m\ в сис­ теме СИ она измеряется в А/м. Поле, созданное в веществе, ориен­ тирует его элементарные магниты, и в окружающем пространстве возникает магнитная индукция (влияние) В.

Магнитной индукцией называется силовая (векторная) характери­ стика магнитного поля, складывающаяся из индукции внешнего на­

магничивающего поля (щЯ) и индукции поля, создаваемого ферро­ магнетиком (\XQM):

Я = М#+М),

где |io = 4тс • 10~7 Гн/м — магнитная постоянная (магнитная прони­ цаемость пустоты).

Магнитная индукция В является основной характеристикой маг­ нитного поля, определяющей его величину и направление. В между­ народной системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в тес­ лах (Тл). Являясь по определению плотностью магнитного потока, она описывается также уравнением

В = Ф/S,

где Ф — магнитный поток, измеряемый в веберах (Вб), проходящий через контур; S — площадь контура, м2, в направлении, перпендику­ лярном Ф.

Приняв М = %ШЯ, получим

В = |!о(Я + ХтЯ)Ио(1 + Ут)Н=

Величина \х = 1 + %тназывается относительной магнитной про­ ницаемостью, она является безразмерной физической величиной, ха­ рактеризующей магнитные свойства ферромагнетиков. Чем больше проницаемость, тем меньше магнитное сопротивление R, которое обратно пропорционально магнитной проницаемости, т. е. R = 1/ц.

Величины Хлп М*и R не являются константами и определяются по сложной зависимости. Так, магнитную проницаемость определяют по

кривой, представленной на рис. 7.1 [2]. Различают начальную |1„ач, мак­ симальную (imax и дифференциальную (id магнитную проницаемость: