МАГНИТОАНИЗОТРОПНЫЙ СКАНЕР-ДЕФЕКТОСКОП “КОМПЛЕКС-2.05” ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ В НЕФТЕ-, ГАЗОПРОВОДАХ И СТЕНКАХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ СТРЕССКОРРОЗИОННЫХ ТРЕЩИН И ДРУГИХ ДЕФЕКТОВ.

Гурова Г.Г., Жуков В.С., Жуков С.В., Копица Н.Н.

“Конструкторско-технологическое бюро бетона и железобетона“, ФГУП,
Институт “ДИМЕНСтест”, ООО.

http://www.td.ru   http://dimens.td.ru   http://www.idk.nm.ru

Введение. Состояние вопроса. Традиционные подходы. 

Организации, создающие и эксплуатирующие резервуарные парки и трубопроводный транспорт, постоянно совершенствуют методики, позволяющие оценить ресурс, надежность трубопроводов и резервуаров [1-5].

Например, на протяжении последних лет рядом организаций предпринимались попытки создания новых технологий дефектоскопии и диагностики трубопроводов, базирующиеся на интегральном численном анализе прочности трубопровода, механизма его разрушения и социальных, экологических и экономических последствий его разрушения.

В одной из предложенных технологий оценка состояния трубопровода с точки зрения прочности производится также, как и в известных методиках ИПТЭР, по следующим критериям: по запасам прочности (согласно нормативной документации); по несущей способности (согласно нормативной документации); по моделям упруго-пластического или хрупкого разрушения (с помощью программного комплекса LS-DYNA3D); по экспериментальным данным полученным на макро- и микрообразцах. Если прочностной расчет показывает возможность разрушения при эксплуатации трубопровода, то проводится математическое моделирование различных сценариев гипотетических аварий. Разработчики "технологии" разделяют мнение, изложенное в работе [6], о нереальности прогнозирования последствий конкретной аварии в момент её возникновения и при расследованиях аварий используют сценарный подход. При этом анализ риска аварии выполняется по результатам проведенных расчетов.

Заключительная стадия "технологии диагностирования" сводится к тому, что по результатам прочностных расчетов и математического моделирования различных сценариев аварий делается оценка состояния трубопровода, анализируется риск и дается заключение о безопасности его эксплуатации. Затем принимается решение о ранжировании участков трубопроводов с точки зрения замены и ремонта. Следует отметить, что при окончательном ранжировании ремонтопригодных участков трубопровода учитывается сочетание ряда значимых факторов.

То есть предложенная "технология" не содержит концептуальной новизны, а является, всего лишь, новым уровнем сервисного обслуживания традиционных подходов, развитием в части реализации более совершенных методов расчета. Несомненно, что внедрение новых программных продуктов и средств вычислительной техники обеспечили заметное повышение производительности труда персонала вычислительных подразделений, точность расчетов и наглядность представления результатов [ 7 ], но никоим образом не изменили физической сущности процесса.

            Постановка проблемы. Анализ причин "случайных", "непредсказуемых" аварий.

Анализ проблемы показывает, что наиболее слабым звеном всех известных технологий технического диагностирования является разделение стадий дефектоскопии (поиск и обнаружение разрывов сплошности среды и инородных включений, измерение размеров), диагностики (установление класса ТС путем оценки физико-механических характеристик среды на участке), тензометрии (оценка напряженно-деформированного состояния участка, в том числе в зоне дефекта) и, собственно, "процедуры принятия решения", т.е.оценки степени опасности участка. Заметим, что (явно или неявно) конечной целью обследования фактически является определение коэффициента концентрации механических напряжений (ККМН) и градиента РГМН (разность главных механических напряжений - Ш критерий прочности, критерий Треска) в каждой точке участка, поскольку именно по этим показателям выполняется оценка степени опасности конструкции.

Дефекты существенно отличаются по степени опасности не столько в связи с их характерными размерами, но, прежде всего, по способности к концентрации механических напряжений (КМН)и увеличения граниента РГМН. В частности, определенные формы дефектов (в общепринятом понимании этого термина) вообще не являются КМН и не представляют опасности для работы конструкции. И, наоборот, некоторые виды КМН просто не обнаруживаются дефектоскопами, хотя чрезвычайно опасны.

Дефектоскопы не показывают фактических значений КМН, а, тем более, градиентов РГМН, и следовательно, не показывают степень опасности дефекта. К тому же, области остаточных сварочных напряжений и зон с остаточной пластической деформацией большинство известных дефектоскопов не обнаруживает. Для значительной части существующих дефектоскопов требуется тщательная вспомогательная обработка поверхности металла в зоне работ (снятие защитных покрытий, изоляции, зачистка металла, применение смазки и др.), что снижает оперативность работ, повышает их стоимость, снижает помехозащищенность и др.

Тем не менее, все модификации традиционных технологий диагностирования по-прежнему ориентированы на поиск дефектов и измерение их размеров. А об опасности найденных дефектов судят расчетным методом, исходя из их размеров и топологии. Переход к анализу по КМН и градиентам РГМН сохраняется в опосредованном виде. Достоверность оценок полностью зависит от модели и метода расчета.

            Определение ККМН во всех известных технологиях выполняется расчетными методами, в основе которых лежат расчетные модели, как это было отмечено выше. Очевидно, что погрешности, связанные с допущениями, принятыми при моделировании конструкции, усугубляются ошибками измерений при дефектоскопии, диагностике и тензометрии обследуемой зоны. На это, как правило, не обращают внимания, поскольку действующие руководящие документы (СниП, РД и пр.) предписывают выполнять оценку степени опасности участка по «нормам дефектов». При этом забывается, что «нормы дефектов» являются расчетно-статистическими параметрами, погрешность которых обусловлена и погрешностями расчетных моделей, и допущениями при статистическом осреднении, и другими, подчас неконтролируемыми факторами. Наконец, КМН или градиент РГМН возникает не только в окрестности разрыва сплошности среды или инородного включения, а, следовательно, может быть пропущен при использовании известных методов дефектоскопии и технического диагностирования со всеми вытекающими отсюда последствиями.

            Принципиально новым является подход, при котором исключаются все промежуточные стадии, и непосредственно измеряется коэффициент концентрации и градиенты разности главных механических напряжений.

            Для этого институтом "ДИМЕНСтест" разработан электромагнитный сканер-дефектоскоп "Комплекс-2.05" (http://complex205.narod.ru".). В процессе НИОКР были учтены вышеназванные недостатки методологии обеспечения безопасности объектов и принципиальные ограничения, свойственные общепринятым средствам дефектоскопии и диагностики [8, 9].

Электромагнитный (магнитоанизотропный) сканер-дефектоскоп "Комплекс-2.05" относится к новому классу дефектоскопов. В отличие от конкурирующих изделий в нем используется эффект магнитной анизотропии ферромагнитных материалов, позволяющий выявлять аномалии механических напряжений не только в поверхностном слое, но и в глубинных слоях металла конструкции. Сканер-дефектоскоп предназначен для выявления и количественной оценки опасности КМН, коэффициента неоднородности напряжений (КНН), РГМН и градиентов РГМН, зон с остаточными пластическими деформациями и сварочными (термическими) напряжениями в инженерных конструкциях из низколегированной или низкоуглеродистой стали. За счет формирования тестового магнитного поля специальной конфигурации, учета всей информации, заключенной в петле магнитного гистерезиса и нового алгоритма обработки получаемой информации удалось исключить отрицательное влияние на точность и достоверность результатов оценки механических напряжений и ККМН таких явлений, как магнито­механический и магнитоупругий гистерезис, и др.

Обсуждение.

По-сути, этот прибор не является дефектоскопом и должен классифицироваться, как новый вид технических средств оперативной оценки технического состояния металлических конструкций – «концентратоскоп». Поскольку результат контроля выдается в виде карт распределения ККМН, КНН, РГМН и градиентов РГМН, здесь полностью исключаются вышеупомянутые погрешности модельных представлений о работе материала, расчетных схем, вычислений и пр. ККМН (и др.) сразу и количественно указывает на степень опасности каждой точки обследованного участка. Результат контроля представляется в виде карт на дисплее ПЭВМ (ноут-бук), входящего в состав аппаратно-программного комплекса, заносится в базу данных с комментариями оператора. Эффективность комплекса была подтверждена прак­тически на всех типах дефектов, классифицированных в РД 558-97 как «недопустимые», в том числе при выявлении стресскоррозионных трещин, а также на участках с остаточными сварочными напряжениями и термопластическими деформациями, вызванными нарушениями технологии сварочных процессов. Толщина металла на участках испытания прибора составляла от 3 до 80 мм.

Рассмотрим несколько практических примеров. (Примеры "классических" карт приведены на этой страничке)

На рис.1 показана реплика дефектов трубопровода, выявленных магнитопорошковым методом. Видны две области с сетью стресс-коррозионных микротрещин, которые по дей­ствующим «нормам дефектов» (РД-558-97) являются недопустимыми. По горизонтальной оси фрагмента проходит заводской шов, в пределах которого отсутствуют опасные дефекты (по критериям РД-558-97). Очевидно, что реплика (без дополнительных измерений и вычислений) не позволяет судить об опасности дефектов. При гидростатическом нагружении 11-метрового фрагмента трубы   выяснилось, что опасным дефектом являлась не сеть микротрещин стресс-коррозии, а продольная трещина самого сварного шва, не обнаруженная магнитопорошковым методом.

 На рис.2 показана карта распределения коэффициента концентрации механических напряжений на том же участке, снятая до проведения испытаний. Отчетливо видно, что в области стресс-коррозионных трещин коэффициент концентрации напряжений невелик – до к=1,7 (в области бездефектного сварного шва обычно к<2). А в зоне сварного шва, пропущенной при магнитопорошковой дефектоскопии, k>3 что чрезвычайно опасно.

На рис.3а показана карта распределения касательных напряжений на участке конструкции из стали со сварным швом. Видно сгущение изостресс (линий равных напряжений) по шву - это и есть зона повышенного градиента РГМН, три участка скопления микропор, концентратор напряжений в основном металле (закат) и след (вмятина) от воздействия механического захвата гильотинных ножниц. Красным цветом прибор выделил границу остаточных термосварочных напряжений в окрестности шва и контур остаточных пластических деформаций по границе вмятины. На рис.3б показана карта распределения касательных напряжений (т.е. РГМН) на участке конструкции Рентгенограммы позволили обнаружить лишь наиболее крупные поры в указанных местах. Других дефектов типа разрыва сплошности металла или инородных включений обнаружено не было.

Рис.3а. Карта касательных напряжений в сварном шве.	Рис.3б. Карта ККМН в сварном шве.

            По характеру и ориентации изостресс РГМН на карте напряжений несложно классифицировать вид напряженно-деформированного состояния участка конструкции. Это позволяет оценить фактические условия эксплуатации объекта. На рис. 4 показана карта напряжений участка трубопровода, испытывающего кручение.

            По состоянию на апрель 2001 года фактов пропуска дефектов сканером-дефектоскопом «Комплекс-2.05» не обнаружено.

            «Комплекс-2.05» может применяться для оптимизации технологии сварочных процессов, при аттестации сварщиков и при решении других задач.

Дружественный интерфейс аппаратно-программного комплекса позволяет в кратчайшие сроки, при минимальных затратах подготовить персонал как к проведению оперативной оценки технического состояния инженерных сооружений, так и к ведению баз данных непосредственно на месте производства работ. Специальные средства связи, включенные в состав некоторых моделей прибора, позволяют из любой точки мира оператору связаться со специалистами технической поддержки (Система СОИ ИДК) и оперативно получить необходимую консультацию по идентификации технического состояния обследуемого объекта (см. http://ndt.spb.ru ).

Модели устройства и версии программного обеспечения к нему, аксессуары, порядок ремонта, ЦЕНЫ "Комплекс-2.05"

Литература

1.      Методические рекомендации по расчетам конструктивной надежности магистральных газопроводов. РД 51-4.2.-003-97. - М.: ВНИИГАЗ, 1997, с.125.

2.     Гриценко А.И., Харионовский В.В., Курганова И.Н. и др. Рекомендации по оценке работоспособности участков газопроводов с поверхностными повреждениями. - М.: ВНИИГАЗ, 1996, с.20.

3.     Харионовский В.В. Проблемы ресурса газопроводных конструкций. // Газовая промышленность. 1994, №9.

4.     Черняев К.В. Роль и задачи диагностики в обеспечении безопасной эксплуатации нефтепроводов России. - Сборник трудов конференции "Энергодиагностика", Москва, сентябрь 1995, том №2, с.3-11.

5.     Ремизов В.В. Газпром и конверсия. // Газовая промышленность. 1997, №9.

6.     Максимов В. Экология природно-техногенных систем газовой промышленности. // Газовая промышленность. 1994, №7.

7. Ковех В.М., Нефедов С.В., Силкин В.М. Общий алгоритм расчета трубопроводов с локальными дефектами. // Проблемы ресурса газопроводных конструкций. - М.: ВНИИГАЗ, 1995, с.120-127.

8.     Жуков С.В., Копица Н.Н. Исследование параметров полей механических напряжений в металлических конструкциях приборами "Комплекс-2"// Сб. научн. Трудов, Академия Транспорта, Отд-е "Спец.проблемы транспорта", 1999, с.214-223

9.     Гурова Г.Г., Жуков С.В., Копица Н.Н. Система распределенной обработки диагностической информации// Тезисы докладов 15-й Российской НТК "Неразрушающий контроль и диагностика", Москва, 27.06- 03.07.99