«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

ЛЮБЧИК АННА НИКОЛАЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО

МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, профессор Е.И. Крапивский САНКТ-ПЕТЕРБУРГ -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ МАГНИТНЫМИ МЕТОДАМИ

1.1 Использование анизотропии магнитных свойств металла трубопровода для оценки его напряженных состояний

1.2 Магнитные поля рассеяния трубопроводов

1.3 Исследования кольцевых стыковых швов трубопровода

1.4 Эффект Баркгаузена

1.5 Метод магнитной памяти металла (ММПМ)

1.6 Выводы и постановка задач исследования

ГЛАВА 2 МАГНИТОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

2.1 Феррозондовый магнитометр - градиентометр PipeMaG

2.2 Описание программы «НВ ТЕСЛА 0204.5a v1.0» для совместной работы магнитометра – градиентометра и персонального компьютера

2.3 Аппаратура электромагнитной диагностики трубопроводов АЭМД............ 2.4 Комплекс электромагнитной диагностики трубопроводов

2.5 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

ТРУБОПРОВОДОВ

3.1 Физические основы магнитометрии трубопроводов

3.1.1 Магнитные свойства конструкционных материалов трубопроводов......... 3.2 Теоретические основы дистанционного контроля технического состояния трубопроводов магнитным методом

Магнитное поле горизонтального кругового цилиндра

3.2. 3.2.2 Магнитное поле произвольного трехосного эллипсоида

Математическое моделирование магнитного поля трубопровода с 3. дефектами с помощью ANSYS

3.4 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

МОДЕЛИ ТРУБОПРОВОДА

Методики проведения эксперимента

4. Зависимость от расстояния

4. Зависимость от намагничения

4. Исследования стыков

4. Оценка погрешности магнитометрического обследования 4. трубопровода……………………………………………………………………. 4.7 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЯ АНОМАЛИЙ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО

ПОЛЯ ПОДЗЕМНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Методика исследования магнитных полей подземных магистральных 5. трубопроводов

Результаты исследования магнитных полей подземных магистральных 5. трубопроводов

5.3 Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы объемах в России, с этой целью, применяется внутритрубная магнитная диагностика. Однако более 50% трубопроводов не могут быть обследованы этим методом из-за неравнопроходного сечения, отсутствия камер приема и запуска внутритрубных приборов. Кроме того практически не решена задача контроля напряженных состояний трубопроводов с помощью внутритрубной магнитной диагностики. Поэтому дистанционная магнитная диагностика подземного трубопровода является важным направлением. Основное внимание в диссертации уделено повышению эффективности магнитометрического дистанционного трубопроводов с использованием разработанной аппаратуры, методики и программного обеспечения.

В области дистанционного контроля необходимо отметить работы ученых и специалистов: Р.В. Агиней, Ю.В. Александров, В.Т. Власов, С.С. Гуськов, А.А. Дубов, Р.В. Загидуллин, В.В. Клюев, А.А. Коршак, Е.И. Крапивский, В.Ф. Мужицкий, В.О. Некучаев, М.Б. Ригмант, В.В. Семенов, С.С. Субботин, Ф.Г. Тухбатулин, Я.С. Шур, В.Е. Щербинин и многие другие. Однако в большинстве предшествующих работ повышению достоверности определения магистральных трубопроводов не уделено, по нашему мнению, достаточного внимания.

Для диагностики магистральных трубопроводов наиболее перспективным является магнитометрический метод дистанционной градиентометрии, позволяющий устанавливать зависимость между напряженностью магнитного поля стального подземного трубопровода и его местоположением в плане и в разрезе, напряженным состоянием и местоположением поперечных сварных швов. Разработка многодетекторной магнитометрической градиентометрии, методики исследований дистанционного контроля состояния подземных трубопроводов для обеспечения безаварийной эксплуатации, является актуальными.

Цель работы: обоснование способа совершенствования дистанционного контроля, местоположения напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода.

Идея работы: применение многодетекторной системы, состоящей, по меньшей мере, из трех пар трехкомпонентных феррозондов постоянного магнитного поля, расположенных ортогонально друг относительно друга и трехкомпонентного акселерометра, позволяет дистанционно определять местоположение напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи исследования:

Проведен анализ существующих дистанционных методов состояния магистральных трубопроводов и приборов для их осуществления. Дана оценка эффективности их применения для подземных магистральных трубопроводов;

состояния подземного магистрального трубопровода, на основе применения многодетекторной системы, состоящей из трех пар трехкомпонентных феррозондов постоянного магнитного поля, расположенных ортогонально друг относительно друга и трехкомпонентного акселерометра;

На основании полученных в лабораторных и полевых условиях исследовании магнитных полей трубопроводов и теоретических исследований проведена модернизация магнитометрической аппаратуры для контроля местоположения напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода;

исследования магнитных полей трубопроводов;

трубопровода в среде ANSYS 13;

Научная новизна работы:

магнитных полей напряженных состояний, необходимо использовать многодетекторную магнитометрическую систему, в которой трехкомпонентные датчики магнитной индукции расположены в различных точках пространства относительно трубопровода;

Получены новые зависимости взаимно ортогональных составляющих вектора напряженности постоянного магнитного поля от местоположения сварных швов и напряженного состояния линейной части подземного трубопровода.

Исследована форма аномалии магнитной индукции в зависимости от остаточной намагниченности и напряженного состояния трубопровода.

Защищаемые положения:

1. Применение многодетекторной магнитометрической системы, содержащей не менее трех пар взаимно перпендикулярных феррозондов, расположенных на различном расстоянии от трубопровода и трехкомпонентный акселерометр, позволяет определять местоположения напряженнодеформированных состояний и сварных швов линейной части стального подземного трубопровода с точностью до 0,1 м.

2. Для установления местоположения поперечных сварных швов трубопровода необходимо определить направление намагниченности его смежных секций на расстоянии более 1 метра от сварного шва и форму магнитной аномалии.

3. Экспериментально подтверждено, что напряженно-деформированные состояния трубопроводов проявляются в магнитном поле в виде знакопеременных аномалий его составляющих.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение научных работ в области магнитометрии и магнитного дистанционного контроля стальных изделий, экспериментальных исследований. В работе использовались экспериментально-аналитические методы исследований: расчеты методом конечных элементов в лицензионной программе ANSYS 13, теория планирования эксперимента, статистической обработки результатов измерений, теория погрешностей.

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций обеспечиваются значительным объемом экспериментального материала, хорошей сходимостью результатов параллельных опытов, близостью результатов полевого эксперимента и лабораторного моделирования, положительным результатом диагностирования на действующей линейной части трубы.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Создан аппаратурно-методический комплекс, включающий: три магнитометра разработанных по ТЗ научного руководителя и автора работы, устройство намагничивания, устройство размагничивания, трубу с дефектами.

математической модели горизонтального кругового цилиндра для расчета магнитного поля трубопровода конечной длины.

Предложен способ диагностики технического состояния трубопровода (заявка на изобретение №2013130749 от 04.07.2013).

Реализация выводов и рекомендаций работы Разработанная методика магнитометрического дистанционного контроля местоположения напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода, интерпретации его результатов может быть использована инженерно-техническими работниками при проведении магнитной дистанционной диагностики трубопровода, на предприятиях эксплуатирующих подземные магистральные трубопроводы, а так же использовано аспирантами при исследовании магнитного поля трубопровода с дефектами.

Личный вклад автора: состоит в постановке цели и задач исследований, участие в составление ТЗ, разработке методики полевых и лабораторных исследований и их проведении, разработке и обосновании технологии дистанционного магнитометрического метода на базе разработанных и изготовленных устройств. Экспериментальные работы выполнены автором либо при его непосредственном участии.

экспериментальных исследований, выводы и рекомендации работы докладывались и получили положительную оценку на: 5-я Международная научная школа молодых ученых и специалистов. «Проблемы освоения недр XXI веке глазами молодых» (г. Москва, ИПКОН РАН, 2008г.); 10-я Международная научная школа молодых ученых и специалистов. «Проблемы освоения недр XXI веке глазами молодых» (г. Москва, ИПКОН РАН, 2013г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы рационального природопользования» (г. Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2008-2010гг.); Международной конференции «New developments in Geoscience, Geoengineering, Metallurgy and Mining Economics» (Германия, г.

Фрайберг, 2009г.); 14-ой и 15-ой Международной конференции «Transport and Sendimentation of Solid Particles» (Санкт-Петербург, СПГГИ(ТУ), 2008-2009гг.); 6ой и 7-ой Межрегиональной научно-практический конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера» (г. Воркута, ВГИ (филиала СПГГИ (ТУ)), 2008гг.); Международной молодёжной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2009» (г.Ухта, УГТУ, 2009г.); Всероссийской научнопрактической конференции «Новые технологии в науке о Земле и горном деле» (г.

Новый Афон, КБГУ и ИГД СО РАН, 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 в рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в список рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 151 странице. Содержит 91 рисунок, 4 таблицы и список литературы из 108 наименований.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ

ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ МАГНИТНЫМИ

МЕТОДАМИ

В представленной главе проведен аналитический обзор работ, направленных на изучение постоянного магнитного поля трубопроводов с целью дистанционной диагностики его технического состояния, таких авторов, как:

В.Г. Кулеев, М.Б. Ригмант, А.А. Дубов, В.В. Лопатин, Р.В. Агиней, Я.С. Шур, Р.В. Загидуллин, В.Ф. Мужицкий, К.Ф. Отт, В.Т. Власов, В.Е. Щербинин, С. Такадзуми, Е.С. Боровик, С.В. Вонсовский, И.Л. Максимов, В.В. Филлипов, Г.В. Ломаев.

1.1 Использование анизотропии магнитных свойств металла трубопровода C 50-х годов прошлого века, в России, развивается метод контроля ферромагнитных изделий по коэрцитивной силе металла [1], который основан на измерении коэрцитивной силы - Нс (рисунок 1.2) металла в точке контроля. Для его реализации разработан целый ряд приборов – коэрцитиметров. Принцип работы таких приборов состоит в исполнении следующей последовательности операций:

а. намагничивание контролируемого участка детали накладным преобразователем;

б. последующее размагничивание этого участка нарастающим полем;

в. фиксации напряженности поля, соответствующей коэрцитивной силе (это делается в процессе выполнения п. "б").

Все современные приборы снабжены встроенными микропроцессорами, обеспечивающими автоматический контроль по заданной программе с обработкой результатов контроля. Измерение коэрцитивной силы материала изделий, как правило, находится в диапазоне от 150 до 6000 А/м.

К настоящему моменту опубликованы десятки работ по этому направлению [2-9]. В последние годы это направление применительно к надземным трубопроводам интенсивно развивается в работах СеверНИПИгаз – Ухта (филиал ВНИИГАЗ). Наиболее полно методика контроля надземных трубопроводов изложена в монографии «Ресурс надземных трубопроводов» [10]. В этой же работе приведена библиография по этому вопросу. В коэрцитометрическом методе фиксируется момент намагничивания трубопровода, когда магнитная индукция (или намагниченность) равна нулю. Определение корреляционной связи коэрцитивной силы с напряженными состояниями трубопровода является сложной задачей. В общем случае на коэрцитивную силу, измеряемую в локальной точке контроля газонефтепровода, по мнению разработчиков метода [10], влияют:

значительных пределах):

– диаметр труб (отклонение от номинала может достигать - 2мм, т.е. до 2%);

– толщина стенки труб (отклонение от номинала может достигать 2мм);

– овальность (отклонение от номинала может достигать 1%);

– марка стали труб (исследований недостаточно);

– наличие антикоррозионного или виброшумового покрытия;

– давление в трубопроводе;

– температура транспортируемого продукта.

Структурное состояние металла трубы (меняется по поверхности одной трубы), которое может быть обусловлено различными неоднородностями:

– заложенными в процессе изготовления трубы (зоны обезуглероживания, закалочные структуры в виде сварных швов и т.д.);

– приобретенными в процессе эксплуатации труб вследствие электрохимического воздействия грунта, напряженного состояния и др.

Кроме того, стенка трубы имеет двуосное сложнонапряженное состояние, влияющее на коэрцитивную силу.

Часть этих проблем решена авторами работы [2-4, 10-11]. К ним относятся:

установление зависимости коэрцитивной силы от толщины немагнитного покрытия, толщины стенки трубы, дефектов трубы и других факторов. В этих работах исследовано изменение коэрцитивной силы образцов трубной стали в условиях растяжения в диапазоне напряжений 0…200 МПа с помощью разрывной машины МР-100, размеры образцов 280х50х5 мм. Измерения до приложения нагрузки показали, что коэрцитивная сила образцов в продольном направлении ( H cII ) меньше, чем в поперечном ( H c ), что по мнению автора, связано с размером образца, так как у исходного металла анизотропия не наблюдалась. Отношение значений H c / H cII ) для всех испытанных образцов находилось в диапазоне 1,07Установлено, что с приложением к образцам нагрузки H c монотонно увеличивается, а изменения показаний H cII находится в пределах погрешности коэрцитивной силы), как разность показаний H c во взаимно перпендикулярных направлениях:

где 1 и 2 – показания датчика коэрцитиметра при его повороте на 900.

АКС при изменении напряжения от 0 до 200 МПа для различных образцов возрастала в 1,3-4 раза. Величина коэрцитивной силы трубной стали составляет 4.5 – 8 А/см, а анизотропия коэрцитивной силы – 2 А/см. Обратим внимание, что при расчете магнитного поля трубопровода по программе конечно-элементного анализа ANSYS коэрцитивная сила и ее анизотропия входят в расчетные формулы.

Из результатов измерений на образцах стали авторы сделали вывод о возможности применения метода коэрцитометрии для экспресс-анализа напряженного состояния трубопровода. На магистральном газопроводе Ухта-ВойВож для относительно простых случаев получена корреляционная зависимость анизотропии коэрцитивной силы от уровня эквивалентных напряжений в трубопроводе (рисунок 1.2) и номограммы для их оценки [12].

Исследования проводились с коэрцитиметром КРМ-Ц-К2М. Он содержит П-образный электромагнит, на боковых стержнях которого размещена возбуждающая обмотка, предназначенная для создания намагничивающего и размагничивающего полей. Феррозонд, включенный по схеме полимера, является перемычкой этого электромагнита. При пропускании постоянного тока по обмотке возбуждения намагничивается участок трубопровода (образца). После выключения тока в обмотке остаточная намагниченность измеряется феррозондом. Размагничивающий ток пропускают до тех пор, пока выходной сигнал феррозонда не станет равным нулю. Чем больше значение коэрцитивной силы материала, тем больше должен быть размагничивающий ток. Диапазон измерения коэрцитивной силы материала трубопровода (образца) от 1 до 20 А/см (до 2000 А/м). (рисунок 1.1) Рисунок 1.1 - Расчетные напряжения и значения АКС на участке наземного газопровода Диаметр 426 мм, толщина стенки 12 мм. – эквивалентные напряжения;

H c – анизотропия коэрцитивной силы.

Рисунок 1.2 - Экспериментальная зависимость анизотропии коэрцитивной силы от уровня эквивалентных напряжений в наземном газопроводе При анализе возможности применения этого метода для контроля напряженного состояния подземных трубопроводов отметим недостатки этого метода:

Принципиальный недостаток – коэрцитивная сила одновременно зависит от многих физико-химических и структурных свойств среды: твердости, предела текучести, предела прочности, температуры отпуска, химического состава, различить сорта стали, чугуна, толщину закаленного слоя, ударную вязкость, деформационное состояние и др. Если все, кроме одного, факторы примерно постоянны, что бывает в пределах одной конструкции, то коэрцитиметр позволяет выявить аномалии, часто связанные с искомым состоянием материала.

Учет влияния некоторых из этих факторов [10] хотя и позволяет повысить достоверность измерений коэрцитивной силы, но принципиально не меняет существа дела.

Коэрцитивная сила Нс – лишь одна точка сложной петли гистерезиса, которая более полно характеризует состояние металла в точке измерения.

Свойства трубопровода на достаточно протяженном участке могут измениться так, что Нс сохранит свое значение, хотя магнитные свойства и следовательно, петля гистерезиса коренным образом будут отличаться от условий калибровки.

Однако это предположение, подлежит дальнейшему изучению.

Метод в принципе неприменим для дистанционного контроля напряженных состояний подземных трубопроводов. Это связано с необходимостью намагничивания трубопровода до состояния насыщения, что заведомо предполагает доступ к нему. В противном случае остаточная индукция не будет метрологически обоснованной характеристикой – ее значение будет сильно зависеть от стабильности максимального значения намагничивающего поля.

По аналогии с коэрцитивной силой в принципе можно контролировать техническое состояние трубопровода по остаточной индукции Br (на кривой гистерезиса ВН). В этом методе в качестве детекторов параметров магнитного состояния металла используют различные магниточувствительные элементы – феррозонды, датчики Холла и пр. В окрестности дефекта и аномалий напряженнодеформированного состояния металла значение остаточной индукции существенно отличается от “нормального”. Принцип работы таких приборов также состоит в намагничивании до насыщения контролируемого участка детали накладным преобразователем и последующем размагничивании этого участка нарастающим полем и измерение амплитуды сигнала с датчика Холла или с помощью феррозондов, соответствующей остаточной магнитной индукции, после размагничивания предварительно заданным током. В простейших приборах используют мощные постоянные магниты. Этот принцип используется не только в переносных дефектоскопах, но и на вагонах-дефектоскопах (дефектоскопия рельс) и в кроулерах – снарядах внутритрубной диагностики.

Так же, как и в коэрцитометрическом методе, остаточная индукция зависит одновременно от целого ряда факторов (напряженно-деформированное состояние, физико-химический состав и т.д.). Поэтому, как и в случае с коэрцитивной силой, возможны ситуации, когда одно и то же значение остаточной индукции обнаруживается у материалов с различными магнитными состояниями, то есть у материалов с разными формами петель гистерезиса. Вместе с тем, как и в случае контроля по коэрцитивной силе, зависимость остаточной индукции трубной стали от различных факторов и ошибки ее определения недостаточно изучены.

Можно предположить, что достоверность метода измерений точек на кривой гистерезиса может существенно повысится, если прибор будет регистрировать все точки кривой, как при намагничивании трубопровода, так и при его размагничивании. По нашему мнению препятствий к модернизации аппаратуры для проведения таких измерений нет.

Несмотря, на высказанные сомнения о возможности использования коэрцитометрического метода и метода остаточной индукции для контроля технического состояния подземных трубопроводов, эти методы представляют интерес для развиваемых нами методов исследования магнитных полей трубопровода. К тому же анализ этих работ позволил использовать их результаты при расчетах магнитных полей.

В НИИ ДИМЕНСтест разработан магнитоанизотропный сканердефектоскоп «Комплекс 2.05» [13]. Принцип действия всех модификаций прибора также основан на эффекте появления анизотропии магнитных свойств ферромагнитных сред при механическом нагружении, которая оценивается следующим образом. В исследуемой области ферромагнитного материала возбуждается ориентированный магнитный поток. Для этого прибор содержит встроенный генератор тока намагничивания обмоток выносного преобразователя.

Выносной преобразователь служит для возбуждения тестового магнитного поля в исследуемом материале и для регистрации магнитного потока, вызванного влиянием напряженного состояния среды. Выходной сигнал выносного преобразователя усиливается, запоминается и далее передается в ПЭВМ (notebook, PC) для специальной цифровой обработки в Сети распределенной обработки данных (СОИ ИДК). На экран дисплея ПЭВМ выводится карта, характеризующая распределение параметров поля механических напряжений на исследованном участке.

По мнению авторов «особенности физических принципов, примененных в приборах серии "КОМПЛЕКС-2", и математического обеспечения обработки данных позволяют обнаруживать места зарождения дефектов, когда иные методы (ультразвуковая дефектоскопия, метод магнитной памяти металла, рентгенография и пр.) не дают результатов в силу отсутствия (неразвитости) нарушений сплошности среды или из-за магнитоупругого гистерезиса.

В описании указано, что при сопоставительных испытаниях на трубах действующих магистральных трубопроводов было показано, что эти «приборы выявляют все дефекты, которые могут быть обнаружены только при совместном применении средств капиллярной, вакуумной, магнитопорошковой, ультразвуковой, рентгеновской и вихретоковой дефектоскопии». Согласно этому «разрешающая способность определения азимута максимального сигнала – 5о.

Устройство обеспечивает обнаружение дефектов типа «остаточные сварочные напряжения» и «термопластические деформации в сварном шве».

Для целей дистанционно диагностики может представлять интерес, если будет разработан способ бесконтактного возбуждения низкочастотного магнитного поля в трубопроводе. Такие способы в геофизике известны [14], но пока не обладают достаточной разрешающей способностью.

1.2 Магнитные поля рассеяния трубопроводов В Институте физики металлов УрО РАН, Белорусской АН и ряде других организаций в течение многих лет ведутся разработки методов исследования магнитного поля напряженных состояний трубопроводов, результаты которых опубликованы главным образом в журналах «Дефектоскопия», «Контроль.

Диагностика», в материалах отраслевых совещаний, ИАН [15-25].

Наибольший интерес для дистанционной магнитной диагностики трубопроводов представляют работы, в которых исследованы напряженные состояния упруго и пластически изогнутых горизонтально расположенных труб.

В теоретических работах В.Г. Кулеева, М.Б. Ригманта, А.А. Дубова исследованы особенности магнитоупругих явлений в ферромагнитных сталях в малых магнитных полях, перпендикулярных и продольных действию циклических растягивающих и сжимающих напряжений. Для целей дистанционной магнитной диагностики магистральных трубопроводов казалось бы наиболее интересно исследование влияния растягивающих и сжимающих усилий на магнитное поле рассеяния для случая, когда магнитное поле Земли направлено перпендикулярно оси трубопровода. Однако необходимо учесть, что и для этого случая магнитное поле из-за размагничивающего фактора направлено под углом к оси трубопровода [26-35].

При анализе экспериментальных работ В.Г. Кулеева, мы обнаружили, что все исследования проведены на водопроводных трубах 273 мм из стали длиной l0 = 200 см по составу металла, толщине стенки и диаметрах, способу изготовления существенно отличающихся от подземных магистральных трубопроводов, что позволяет высказать сомнения в возможности переносах их результатов без подобных преобразований на реальные объекты. К тому же длина труб слишком мала, чтобы переносить выводы на натурные условия. Отсюда вывод – необходимы исследования на наземных трубопроводах большого диаметра.

В работе [39] возникновение магнитного поля рассеяния от дефекта объясняется с помощью «бифуркационно-резонансного метода» (название авторов), при котором появляются виртуальные магнитные домены вследствие движения доменных стенок Блоха через точки неустойчивости или точки «бифуркации» (разветвления, раздвоения). При снятии механической нагрузки виртуальные домены исчезают, и их энергия затрачивается на создание магнитного поля отклика от дефекта. О теории возникновения магнитного поля отклика от дефекта в стенке трубы на основе предложенного метода можно лишь сказать, что она не получила объяснения и развития ни в дальнейших работах автора, ни в работах других исследователей.

Далее в [40] приводятся сведения из физики твердого тела, вводятся нам неизвестные понятия «межузлиона», «примессона», передаточных функций одного домена и материала трубопровода. Рассматривается блок-схема прибора для разности напряженностей магнитного поля дефектного и бездефектного участка трубопровода. Прибор включает в себя два феррозондовых датчика с горизонтальными осями, включенные встречно и один феррозонд с осью расположенной перпендикулярно оси трубопровода. Электронный блок содержит задающий генератор, сигналы с которого через формирователи поступают на обмотки возбуждения феррозондов, дифференциальный усилитель, синхронный детектор, пороговую схему сравнения, задающий сигнал, которой выбирается по результатам предварительных испытаний, АЦП и блок памяти. Кроме того, в приборе смонтированы фильтры нижних и верхних частот, позволяющие осуществлять регистрацию магнитных параметров в ограниченном частотном диапазоне. Теория возникновения магнитного поля отклика от дефекта в стенке трубы на основе бифуркационно-резонансного метода с использованием виртуальных доменов критикуется в работах [41-42]. По мнению авторов этих работ в настоящее время в практической диагностике она не получила применения и им неизвестны какие-либо отечественные и зарубежные источники, в которых бы описывались подобные методы. Блок-схемы прибора, совпадают полностью со схемой феррозондового градиентометра и с блок-схемой авиационного обнаружителя магнитных аномалий, служащего для определения координат и местоположения объектов (трубопроводов, затонувших кораблей, подводных лодок, мин, автомобилей и т.п.) на расстоянии до 400 м по их постоянному магнитному полю. Принцип действия такого обнаружителя основан на возможности аппроксимации локального поля объектов на расстояниях, превышающих их размеры, магнитным полем диполя и их координат. По мнению авторов работы [36] в виде подобного диполя можно представить и коррозионный дефект на поверхности трубопровода.

1.3 Исследования кольцевых стыковых швов трубопровода В работах [44-45] исследовано влияние расположения дефектного участка по отношению к направлению слабого магнитного поля, перпендикулярного к оси трубы, на картину нулевых линий результирующего нормального магнитного поля рассеяния на ее поверхности. Установлено, что в ферромагнитной стальной трубе, при наличии дефектного участка вид нулевых линий поля рассеяния на ее поверхности существенно зависит от расположения оси дефектного участка относительно направления перпендикулярного ее оси поля. Из анализа этой работы можно сделать вывод, что аномальная намагниченность дефектного участка может служить основанием для его качественной, но не количественной диагностики.

Важной задачей магнитного контроля подземных трубопроводов является идентификация кольцевых стыковых швов трубопроводов. Это поле служит репером для привязки результатов дистанционной магнитометрии и необходимо для учета аномальных составляющих поля, обусловленных различным взаимным положением магнитных полюсов стенок трубных секций.

В результате расплавления сварочных проволочных электродов, сварной шов получает усиление, как на наружной (высота валика усиления 1-3 мм, ширина 14±4 мм при толщине стенки 7-8 мм и 24±4 мм при толщине стенки 12- мм), так и на внутренней стороне стенки трубы (внутренний грат подварки шириной 8-12 мм и высотой 1-3 мм). Таким образом, в окрестности шва образуется, как геометрическая неоднородность, обусловленная наплывами металла сварочного электрода снаружи и внутри трубы (валиками), так и неоднородность магнитных свойств, обусловленных неидентичностью химического состава материала трубы и материала сварочного электрода, а также вариациями структурного состава металла в середине шва, по его границам и вдали от него (стенка трубы). Термообработка металла в процессе сварки (нагрев и последующее охлаждение) изменяет магнитное поле сварного шва.

В работе [46] проведено теоретическое и экспериментальное исследование тангенциальной составляющей поля валика усиления сварного шва. В работе [37] приведены результаты компьютерного моделирования магнитного поля поперечного сварного шва. Расчеты выполнены с использованием программы ELCUT 4,2. Можно сделать вывод, что магнитное поле сварного шва всего на 20отличается от магнитного поля вдали от шва и весьма локально (±5 мм).

Предполагая, что аномалия будет убывать с увеличением расстояния от сварного шва по квадратичному закону, можно сделать вывод, что на расстоянии 1 м от сварного шва практически невозможно обнаружить аномалию в тысячные доли процента от магнитного поля трубопровода вдали от сварного шва. Таким образом, сварной шов трубопровода можно обнаружить магнитным методом только в том случае, если намагниченность стыковых труб отличается по величине, что, как правило, и имеет место. Этот вывод подтвержден измерениями на поверхности труб.

Намагниченная труба после прохождения магнитного снаряда-дефектоскопа является ценным источником информации, как о напряженных состояниях трубопровода, так и о действии размагничивающих нагрузок. В работе [48] показано, что если ферромагнитная труба была предварительно намагничена магнитной системой дефектоскопа до технического насыщения, то напряженность остаточного магнитного поля во много раз меньше амплитуды намагничивающего поля. Если величина магнитного поля достигает 800-900 А/см, то величина остаточного поля не превышает 17 А/см.

Коррозионное разрушение ферромагнитного материала сопровождается изменениями потенциально-энергетического рельефа образца за счет перераспределения внутренних напряжений, искажений поверхностного слоя, возникновения новой картины распределения дефектов и т.п. В этих условиях должны возникать скачки Баркгаузена, которые могут быть использованы для качественной характеристики коррозионного разрушения ферромагнетика в агрессивных средах. В работах В.В. Филинова и Г.В. Ломаева [49-50] и в работах [51-53] был исследован эффект Баркгаузена, открытый в 1919 году. Он заключается в скачкообразном изменении намагниченности ферромагнетика при воздействии на него магнитных полей, механических напряжений и т. д. Скачки намагниченности и называют скачками Баркгаузена. В настоящее время известно пять механизмов возникновения скачков Баркгаузена: необратимое движение доменных стенок, возникающих в момент преодоления потенциального барьера, необратимое вращение вектора намагниченности монодоменной области, возникновение и исчезновение пиков Нееля, инверсирование намагниченности в частицах ферромагнетика, возникновение и движение линии Блоха или Нееля в стенках с противоположно направленной средней намагниченностью.

Коррозионное разрушение стенок трубопровода также сопровождается изменениями потенциально-энергетического рельефа стенки трубопровода за счет перераспределения внутренних напряжений, искажений поверхностного слоя, возникновения новой картины распределения дефектов. В этих условиях возникают скачки Баркгаузена, которые могут быть использованы для качественной оценки коррозионного разрушения трубопроводов. Число скачков тесно связано с количеством барьеров потенциальной энергии, а они, в свою очередь, коррелируют с дефектами в стенке трубы.

Наибольшие трудности возникают при преобразовании энергии скачков Баркгаузена в измеряемую величину. Из всех видов энергии скачков (магнитная, механическая, тепловая и др.) наибольший уровень имеет магнитная, для преобразования которой, можно использовать феррозондовые преобразователи магнитного поля. Плотность скачков Баркгаузена составляет 106 - 109 на один см3. Скачки возникают при величине магнитного поля 10-4 А/м и регистрируются дистанционно на расстоянии один метр и более. Скачки Баркгаузена определяются величиной и знаком приложенных остаточных напряжений, а также константой магнитострикции. К недостаткам методики измерений напряженных состояний магнитошумовым методом относятся:

поверхностных слоев трубопровода толщиной несколько микрон);

– большое влияние состояния поверхности;

– практическая невозможность измерения шумов Баркгаузена даже на расстоянии несколько см от трубопровода;

– необходимость воздействия на трубопроводы изменяющимся магнитным полем.

Все это препятствует использованию метода при дистанционной магнитной дефектоскопии (по крайней мере, такие работы нам неизвестны).

1.5 Метод магнитной памяти металла (ММПМ) Физические основы метода, в котором исследуются связи между напряженными состояниями трубопровода, коэрцитивной силой, изменением намагниченности и постоянным магнитным полем (полем рассеяния напряженных состояний) и названного в многочисленных работах А.А. Дубова методом Магнитной Памяти Металла (ММПМ), рассмотрены в работах [27, 29, 31,54]. Объяснение причин появления собственного магнитного поля рассеяния (СМПР) при нагружении ферромагнетиков и его изменении после снятия нагрузки часто противоречиво, поэтому мы их рассмотрим подробнее.

Так в работах [27, 29] возникновение СМПР объясняется «формированием доменных границ на скоплениях дислокаций высокой плотности (дислокационных стенках). В силу «магнитодислокационного гистерезиса»

магнитная текстура, сформировавшаяся под действием рабочих нагрузок как бы «замораживается». Физическими основами ММПМ А.А. Дубов считает:

- магнитоупругий и магнитомеханический эффекты;

- эффект формирования доменов и доменных границ на скоплениях дислокаций в зонах концентрации напряжений (магнитопластика);

- эффект рассеяния магнитного поля структурными и механическими неоднородностями в условиях естественной намагниченности металла.

«Энергетическая концепция НДС» рассмотрена в работах А.А. Дубова и В. Т. Власова [27, 30]. Не претендуя на глубокое понимание физики магнитных доменов и НДС [27, 29, 30] и рассмотрим физические основы ММПМ, опираясь на работы А.А. Дубова и В.Т. Власова [55-56] и критику этих работ [57].

Принципиальная новизна метода ММПМ (по мнению А.А. Дубова) заключается в использовании объективно существующего, но не изученного ранее, явления "магнитопластики" (по нашему мнению, А.А. Дубов является лишь разработчиком метода ММПМ, а не его единственным автором). «Изучение сложных процессов перераспределения собственной энергии материала под действием внешних силовых и/или магнитных полей потребовало знаний не только из областей металлофизики, теорий упругости, пластичности и прочности, механики разрушения, основ радиотехники и даже термодинамики, но заставило обратиться к таким областям науки, как квантовая физика, физика твердого тела, теория дислокаций, теория электромагнитного поля, - казалось бы далеким от решаемых практических задач. Но полученные результаты превзошли ожидания:

удалось установить не только функциональную связь различных внутренних энергетических полей между собой и с внешними полями, что обеспечивает развитие таких известных активных методов диагностики, как метод коэрцитивной силы, метод остаточной намагниченности, метод шумов Баркгаузена и др., но и выявить количественные критерии определения сильных и слабых магнитных полей, энергетические соотношения силовых и магнитных полей, определяющие границы магнитоупругости и впервые вводимого в практическое использование явления магнитопластики».

Таким образом, в цитируемых работах А.А. Дубова и В.Т. Власова утверждается, что в ММПМ измеряется не поле рассеяния, вызванное неоднородным распределением намагниченности M ( x, y, z ), а «собственные магнитные поля дислокаций». По их мнению «механизм возникновения собственных магнитных полей на скоплениях дислокаций обусловлен закреплением доменных границ», а «от плотности дислокаций зависит энергия собственного магнитного поля». В критической статье известных ученых В.Е. Щербинина, В.Ф. Мужицкого, В.Г. Кулеева [57] доказывается «полная несостоятельность этой идеи». Авторы доказывают, что «максимально возможный суммарный магнитный момент скоплений дислокаций (в том, разумеется случае, если найдется такое взаимодействие, которое выстроит все их Намагниченность, которую в принципе могли бы создать дислокации с объемной плотностью 1015 см-3 составляет около 410-4 кА/м». Авторы рецензии напоминают, что магнитный момент железа в насыщении равен 1700 кА/м, что на 7 порядков превышает вышеупомянутую величину. Так как на самом деле намагниченность «скоплений» дислокаций гораздо меньше, рассчитано выше, так как расстояния между дислокациями значительно превышают межатомные. Эти «очевидные оценки» показывают, что явление магнитной памяти металла (не отрицаемое в критической статье) не может быть объяснено «дислокационным магнетизмом» и «собственными магнитными полями скоплений дислокаций».

Так как размеры скоплений дислокаций согласно С. Тикадзуми [58-59] не превышают 10-7 м, то чтобы их зафиксировать нужны феррозонды с диаметром сердечника 10-8 м и фантастической чувствительности.

В цитируемой работе также критикуется утверждение А.А. Дубова и В.Т. Власова о «развитии теории доменной структуры».

Внесем и свой вклад в критику работ А.А. Дубова, но с практической точки зрения.

Суть ММПМ заключается в определении частной остаточной индукции металла обследуемого участка конструкций, аномалии которой должны (по мнению авторов метода) указывать на напряженное состояние и дефекты. Из их публикаций следует, что частная остаточная намагниченность металла достигает 600 – 900 А/м (отметим, что нормальное поле Земли около 50-70 А/м).

Уровень частной остаточной индукции первоначально формируется в магнитном поле в месте, где участок конструкции остыл ниже точки Кюри, например, после термического разогрева при сварочных работах или при изготовлении труб на трубных заводах. Стало быть, распределение параметров намагниченности металла в дефектных и бездефектных участках изначально является случайным. То есть значение частной остаточной индукции может варьировать (по абсолютному значению) от нуля до истинной остаточной индукции. Стало быть, это не может быть метрологически достоверной характеристикой (в целях измерения параметров напряженного состояния и т.п.).

магнитоиндукционной дефектоскопии, “метод магнитной памяти металла” (ММПМ) привносит целый ряд неопределенностей. Поэтому при измерении магнитных полей трубопровода следует учитывать все виды намагниченности и разделять их природу. По нашему мнению градиентометрический метод измерения составляющих магнитного поля трубопровода частично лишен недостатков перечисленных выше методов и является их развитием. Частично, это учтено в работах А.А. Дубова и его последователей, которые, не приводя доказательств, считают, что основным диагностическим параметром НДС по ММПМ является горизонтальный градиент магнитного поля рассеяния вдоль поверхности газопровода. Они считают, что именно этот диагностический параметр «в силу магнитомеханического эффекта напрямую отображает энергетическое состояние поверхности и глубинных слоев металла». Это утверждение не согласуется с результатами работ В.Г Кулеева и других авторов [33-35] и с нашими исследованиями.

В статье В.Г. Кулеева и В.Г Лопатина [61] и в рецензии на нее (www.ndt.org.ua/rus/articlers/?id=206) перпендикулярного к оси трубы поля рассеяния обходят эти зоны и тем дальше, чем больше величина продольной намагниченности». Из материалов статьи следует, что ММПМ непригоден для измерения напряженных состояний. Оставим эти утверждения без комментария до проведения соответствующих исследований.

Из приведенного анализа можно сделать вывод, что дистанционной магнитной диагностике напряженных состояний трубопроводов и диагностике сварных поперечных швов не уделялось достаточного внимания. [78-79] исследователей в области неразрушающего контроля технического состояния металлоконструкций, можно говорить о том, что однозначно достоверного метода для диагностики не существует, и какие-либо конкретные методы и методики имеют те или иные неточности и ограничения, что приводит к необходимости их вышеизложенные обстоятельства, можно сделать вывод о том, что необходимо провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования постоянного магнитного поля различных инженерных сооружений в целом и магистральных трубопроводов в частности, для разработки более целостностной методики диагностики технического состояния неразрушающим дистанционном методом.

На основе существующих методов и средств магнитометрии для определения аномального магнитного поля определена область исследований и основные задачи диссертационной работы:

Проведен анализ существующих дистанционных методов состояния магистральных трубопроводов и приборов для их осуществления. Дана оценка эффективности их применения для подземных магистральных трубопроводов;

состояния подземного магистрального трубопровода, на основе применения многодетекторной системы, состоящей из трех пар трехкомпонентных феррозондов постоянного магнитного поля, расположенных ортогонально друг относительно друга и трехкомпонентного акселерометра;

На основании полученных в лабораторных и полевых условиях исследовании магнитных полей трубопроводов и теоретических исследований проведена модернизация магнитометрической аппаратуры для контроля местоположения напряженных состояний и поперечных сварных швов стального подземного трубопровода;

исследования магнитных полей трубопроводов;

трубопровода в среде ANSYS 13.

ГЛАВА 2 МАГНИТОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

В главе 2 представлено описание разработанных комплексов для дистанционного контроля технического состояния подземных магистральных трубопроводов на основе магнитометрического метода.

Для физического моделирования магнитных полей трубопроводов в работе использовалась следующая аппаратура, созданная в период с 2008 по 2010 года компанией ООО «НПО ЭНТ» по ТЗ научного руководителя работы, профессора Крапивского Е.И.:

1. Феррозондовый магнитометр - градиентометр PipeMaG;

2. Стенд для исследования дефектов трубопроводов магнитометрградиентометр КЭМДТ.

2.1 Феррозондовый магнитометр - градиентометр PipeMaG Для проведения трехкомпонентных измерений постоянного и низкочастотного магнитного поля трубопроводов ООО «НПО ЭНТ» по ТЗ научного руководителя создан магнитометр - градиентометр, получивший название PipeMaG, включающий два трехкомпонентных датчика индукции магнитного поля, индукционную немагнитную антенну для измерения низкочастотной составляющей магнитного поля катодной защиты и генератора, подключаемого к трубопроводу, цифровой измерительный прибор, память до Гбит, 20 канальный GPS и датчики отклонения градиентометра от вертикальной оси акселерометры. Измерительный прибор позволяет записывать знак (+/-) и значащих цифры по каждой (X,Y,Z) постоянной и низкочастотной переменной составляющих магнитного поля[62].

Назначение магнитометра – градиентометра. Градиентометр предназначен для измерения трех ортогональных компонент индукции и их разности (градиента на двух высотах от поверхности Земли:

низкочастотного электромагнитного поля частотой 100 Гц (частота тока катодной защиты трубопровода);

низкочастотного поля в диапазоне частот 0,120 Гц (частота шумов Баркгаузена и тока, обусловленного движением нефти или газа по трубопроводу).

В градиентометре предусмотрена возможность передачи результатов измерений в цифровой форме в персональный компьютер (интерфейс RS232).

Магнитометр выполнен в виде переносного прибора и может быть использован при контроле магнитного поля различного рода трубопроводов.

Условия эксплуатации:

Рабочий диапазон температуры окружающего воздуха от –200С до +500С.

Прибор нормально работает после воздействия транспортной тряски (в предназначенной для этого упаковке) с частотой 23 Гц при максимальном ускорении 30 м/с2.

Технические характеристики:

1. Количество трехкомпонентных датчиков индукции магнитного поля в датчике Градиентометра, шт. 2;

2. Количество индукционных немагнитных антенн, шт. 1;

2. Размер геометрической базы прибора, м 1;

3. Рабочий диапазон индукции постоянного магнитного и низкочастотного электромагнитного полей, мкТл ±150;

4. Рабочий диапазон индукции низкочастотного электромагнитного поля, мкТл ±10;

5. Рабочий диапазон частот индукции низкочастотного электромагнитного поля, Гц 0,1200;

6. Неортогональность компонент датчиков, угл. град. 0,5;

7. Несоосность одноименных компонент датчиков, угл. град. 0,5;

8. Основная погрешность измерения 3%+5ЕМР;

9. Разрешающая способность при измерении градиента эквивалентна оцифровке индукции поля с разрядностью 16 бит;

жидкокристаллическом индикаторе;

11. Связь с персональным компьютером по интерфейсу RS232;

12. Питание от автономного источника питания;

13. Длительность непрерывной работы не менее, час 20;

14. Габаритные размеры пульта, мм 120х90х35;

15. Габаритные размеры датчика, мм 1050х40х40;

16. Длина кабеля, соединяющего пульт прибора с датчиком, м 1,5;

17. Масса, кг 3,5;

18. Срок эксплуатации прибора, лет 8;

19. Ресурс прибора, час 10000;

энергонезависимая память на 10 000 измерений и GPS приемник.

Устройство Рисунок 2.1- Внешний вид магнитометра градиентометра Конструкция прибора. В состав прибора входят:

– датчик градиентометрический;

– пульт магнитоиетраградиентометра;

– поддерживающее устройство (тренога и столик).

Датчик градиентометрический представляет собой трубу из стеклопластика (корпус датчика), в оконечностях которой размещены два трехкомпонентных преобразователя индукции магнитного поля (феррозонды). Корпус датчика заделан в термоусаживающуюся трубку. На одной из оконечностей датчика размещен кабельный ввод с соединительным кабелем. [75, 80] Пульт магнитометра - градиентометра выполнен из алюминиевого сплава.

Рисунок 2.2 - Внешний вид пульта магнитометра - градиентометра Датчик градиентометриеский представляет трубу из стеклопластика (корпус датчика), в оконечностях которой размещены два трехкомпонентных преобразователя индукции магнитного поля НВ0302. Корпус датчика заделан в термоусаживаемую трубку. На одной из оконечностей датчика размещен кабельный ввод с кабелем соединительным.

Рисунок 2.3 - Вид конструктивной компоновки градиентометра 1 – штатив, 2 – основание, 3,5 – шарниры, 4 – поворотный узел, 6 – отсек аккумулятора Принцип действия. Датчик градиентометра, пульт и аккумулятор источника питания закреплены на основании 2, выполненного из алюминиевого профиля.

Датчик на основании с помощью шарнира 1 может быть установлен в любое угловое положение.

Основание 2 крепится на штативе 1 с помощью поворотного узла 4, обеспечивающего поворот основания 2 в горизонтальной плоскости. На основании 2 с помощью шарнира 5 закреплен пульт градиентометра. Шарнир обеспечивает фиксацию пульта под углом, удобным для считывания результатов измерения.

Структурная схема градиентометра включает структурные схемы градиентометрического датчика, пульта, а также аккумулятор источника питания.

Структурная схема датчика содержит три градиентометрических канала X,Y и Z, а также двухкомпонентный акселерометрический датчик. Последний предназначен для преобразования углов отклонения оси градиентометрического датчика от вертикального положения в напряжение электрического сигнала.

Каждый градиентометрический канал включает магнитоизмерительные расположенных в противоположных концах градиентометрического датчика.

Рисунок 2.4 - Структурная схема магнитометра-градиентометра Сигналы с выходов магнитолизмерительных каналов в аналоговой форме поступают на два трехвходовых сумматора 1 и 2. Подбором коэффициента передачи и знака по вспомогательным входам сумматоров выполняется предварительная (грубая) ортогонализация компонент датчика.

Сигналы с выходов сумматоров через соединительный кабель поступают на входы АЦП микроконтроллера пульта для оцифровки. Одновременно сигналы с выходов сумматоров поступают на вычитающее устройство, на выходе которого формируется разность (градиент) сигналов компонент магнитного поля. Сигнал разности усиливается в 10 раз и также поступает в пульт для дальнейшей оцифровки.

Сигналы компонент (6 сигналов), разностей соответствующих компонент ( сигнала), два сигнала с выхода акселерометрического датчика (датчика углового отклонения от вертикального положения осей Z), а также напряжение источника питания по кабелю связи поступают на входы АЦП микроконтроллера, располагаемого в пульте прибора. Оцифрованный сигнал напряжения питания используется для контроля питания (степени разряда аккумулятора прибора).

Обработка сигналов в микроконтроллере выполняется в цифровой форме под управлением программного обеспечения. Кроме управления процессом измерения программное обеспечение реализует процедуру ортогонализации компонент в цифровой форме. Микроконтроллер на своих выходах формирует сигналы, необходимые для реализации вывода результатов измерений на индикатор, а также в персональный компьютер по интерфейсу RS232.

Включение прибора осуществляется нажатием кнопки "ВКЛ".

Работа прибора выполняется под управлением программного обеспечения, установленного в контроллере. В приборе предусмотрено несколько режимов работы. Переключение режимов работы производится нажатием кнопки «РЕЖИМ». Номер режима работы прибора отображается в правой части верхней строки индикатора. Для выполнения измерений в условиях слабой освещенности в магнитометре предусмотрена подсветка индикатора, которая включается при нажатии кнопки «ПОДСВ». В магнитометре выполняется постоянный контроль состояния аккумулятора встроенного источника питания (6В). О необходимости заряда аккумулятора свидетельствует появление на индикаторе прибора сначала соответствующего значка, а затем, при дальнейшей работе, появление надписи «ЗАРЯДИТЕ БАТАРЕЮ», после чего выполнение измерений становится невозможным.

Большим преимуществом феррозондовых магнитометров является возможность измерения как постоянных, так и низкочастотных переменных магнитных полей. Для выделения нужного низкочастотного сигнала используются электронные фильтры. Однако для повышения чувствительности изменений низкочастотного магнитного поля, в том числе и поля катодной защиты в состав градиентометра включена индукционная немагнитная антенна, размещаемая в цилиндрическом корпусе магнитометра - градиентометра.

Градиентометр можно носить за спиной или размещаться на немагнитной треноге с вращающимся в горизонтальной и вертикальной плоскости столиком.

Впервые магнитометр снабжен магнитными экранами для точеного измерения магнитного поля трубопровода (магнитный телескоп) и штангой с малогабаритным постоянным магнитом для точечного намагничивания трубопровода (магнитный прожектор). Связь с ноутбуком осуществляется через разъемы USB или RS232.

При повороте измерительной системы относительно магнитного поля Земли изменяются и показания взаимно перпендикулярных горизонтальных составляющих магнитной индукции (рисунок 2.5). Вертикальная составляющая при этом изменяется лишь в пределах, обусловленных отклонением измерительной системы от вертикального положения. Таким образом, прибор является и высокочувствительным магнитным компасом. Угловые координаты нанесены на поворотный столик прибора. Необходимо иметь в виду, что при проведении угловых измерений над трубопроводом, его магнитное поле искажается. Сопоставление таких двойных измерений позволяет определить ориентацию магнитного поля трубопровода.

Зависимости составляющих постоянного магнитного поля и их градиента от азимута Рисунок 2.5 - Зависимость показаний магнитометра - градиентометра PipeMaG от Программное обеспечение позволяет в режиме реального времени визуализировать результаты измерений, заносить в таблицу 9 параметров магнитного поля, два параметра акселерометров и вычислять градиенты индукции магнитного поля. Кроме того предусмотрено измерение низкочастотного переменного магнитного поля (частота до 200 Гц). Осреднение результатов произвольное. Предусмотрено два типа реперов для привязки результатов измерений (профиль, пикет).

твердотельную память и GPS привязки [62].

приведены в главе 4. Там же рассмотрены другие характеристики магнитометра градиентометра и методика работ на магистральных трубопроводах [91].

2.2 Описание программы «НВ ТЕСЛА 0204.5a v1.0» для совместной работы магнитометра – градиентометра и персонального компьютера Программное обеспечение прибора НВ0204.5A для совместной работы с персональным компьютером (ПК) представлено программой НВ Тесла 0204.5A v1.0. последовательной линии связи RS232. Программное обеспечение, прилагаемое к градиентометру, позволяет выполнять следующее:

циклический ввод результатов измерения с одним из следующих периодов квантования 5 мс, 10 мс, 100 мс и 1000 мс для режима измерения индукции постоянных полей;

вычисление модуля вектора индукции постоянного магнитного поля;

осреднение результатов измерения по заданному пользователем числу точек (от 2 до 100) для режима измерения индукции постоянных полей;

компенсацию постоянного смещения нуля, с учетом осреднения, для режима измерения индукции постоянных полей;

автоматическую компенсацию постоянного смещения нуля, для режима измерения индукции электромагнитных полей;

вычисление следующих параметров электромагнитного поля:

вычисление модуля вектора индукции;

действующих значений компонент и модуля вектора индукции;

размаха значений компонент и модуля вектора индукции;

автоматическое документирование результатов измерений в виде графика и таблицы, сохраняемых в графических и текстовых файлах соответственно;

контроль напряжения питания прибора;

отображение служебной информации о типе, версии и серийном номере прибора;

сохранение в системном реестре параметров настройки COM порта, используемого для подключения прибора к ПК.

Для представлением результатов в виде графика на экране дисплея после выполнения измерений градиентов индукции постоянного магнитного поля необходимо, после запуска программы НВ Тесла 0204.5A v1.0 на экране компьютера дождаться появление окна панели управления прибором НВ0204.5A.

Внешний вид окна панели управления прибором программы НВ Тесла 0204.5A v1.0 в режиме измерения индукции постоянных полей приведен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Окно панели управления прибором НВ0204.5A программы НВ Тесла 0204.5A v1.0 в режиме измерения градиентов индукции постоянных полей в режиме графического Окно панели управления прибором НВ0204.5A программы НВ Тесла 0204.5A v1.0 предназначено для управления процесса измерения. Назначение органов управления панели управления в режиме измерения градиентов индукции постоянных полей:

подключения/отключения прибора и переключения режимов работы программы НВ Тесла 0204.5A v1.0;

закладка «Дисплей» выводит на экран дисплея для представления результатов измерений в графическом виде, она содержит следующие органы управления:

«Выводить на дисплей» переключает режимы отображения результатов на дисплей. Он обеспечивает выбор следующих режимов вывода результатов измерений:

выводить только результаты измерения градиентов GX, GY и GZ;

выводить только результаты измерения индукции компонент первого датчика X1, Y1 и Z1;

выводить только результаты измерения индукции компонент второго датчика X2, Y2 и Z2;

выводить только результаты измерения индукции компоненты X первого X1 и второго X2 датчиков и GX результат измерения градиента по компоненте X;

выводить только результаты измерения индукции компоненты Y первого Y1 и второго Y2 датчиков и GY результат измерения градиента по компоненте Y;

выводить только результаты измерения индукции компоненты Z первого Z и второго Z2 датчиков и GZ результат измерения градиента по компоненте Z;

выводить все измеряемые параметры;

отключить вывод на дисплей.

«Диапазон дисплея, мкТл» устанавливает диапазон отображения дисплея, диапазон возможных значений 1300 мкТл (по умолчанию оно равно 160 мкТл);

закладка «Дисплей» предназначено для отображения результатов измерения в графическом виде;

кнопка «Очистить» предназначена для очистки дисплея;

кнопка «Сохранить» выполняет сохранение изображения на дисплее в выбранном пользователем графическом файле. Окно выбора файла для сохранения дисплея приведено на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Окно выбора файла для сохранения изображения на дисплее закладка «Таблица» выводит таблицу для представления результатов измерений в табличном виде;

закладка «Статус» выводит текстовое окно, в котором содержатся текстовые сообщения о ходе процесса измерений, сообщения о возникших ошибках и возможных причинах их появления;

закладка «Параметры» выводит на экран все измеряемые параметры, в том числе сигналы с датчиков вертикального положения AX и AY;

закладка «DC» переключает программу в режим измерения индукции постоянных магнитных полей;

закладка «AC» переключает программу в режим измерения индукции электромагнитных полей;

в окне «Номер отсчета» отображается число выполненных измерений (значение в окне сбрасывается при переключении режимов, а также при начале выполнения новой последовательности измерений);

в окне «Градиент GX, мкТл» отображается текущее значение градиента индукции магнитного поля компоненты X (диапазон значений 150 мкТл, при выходе индукции за верхнюю границу диапазона в окне появляется сообщение, а при выходе за нижнюю границу сообщение ). Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей;

в окне «Градиент GY, мкТл» отображается текущее значение градиента индукции магнитного поля компоненты Y (диапазон значений 150 мкТл, при выходе индукции за верхнюю границу диапазона в окне появляется сообщение, а при выходе за нижнюю границу сообщение ). Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей;

в окне «Градиент GZ, мкТл» отображается текущее значение градиента индукции магнитного поля компоненты Z (диапазон значений 150 мкТл, при выходе индукции за верхнюю границу диапазона в окне появляется сообщение, а при выходе за нижнюю границу сообщение ). Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей;

в окне «Осреднение вкл/выкл» выполняется включение/ выключение осреднения по заданному числу точек;

в окне «Осреднение число точек» устанавливается число точек, по которым выполняется осреднение (от 2 до 100 точек);

окно «Период измерений, мс» предназначено для установки периода при циклических измерениях (может быть выбрано одно из значений 5, 10, 100, мс);

окно «Число точек дисплея» предназначено для установки количества точек графика, отображаемых на дисплее (может быть выбрано в диапазоне точек, по умолчанию оно равно 100 точкам);

кнопка «Цикл. Измерение» предназначена для циклического выполнения измерений (при первом нажатии кнопки начинается выполнение измерений, а при повторном – окончание, период цикла измерений устанавливается пользователем в окне «Период измерений, мс»);

в окне «Компенсация вкл/выкл» выполняется включение/ выключение программной компенсации постоянного значения измеряемой индукции поля;

окно «Панель состояния программы» предназначена для отображения служебной информации: «Статус прибора», «Тип прибора», «Версию», «Заводской номер» и «Порт».

Для выполнения измерений градиентов и индукции постоянных магнитных полей с представлением результатов в виде таблицы, необходимо после запуска программы НВ Тесла 0204.5A v1.0 дождаться на экране появление окна панели управления прибором НВ0204.5A. При нажатии закладки «Таблица», внешний вид окна панели управления в режиме измерения индукции постоянных полей приведен на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Окно панели управления программы НВ Тесла 0204.5A v1.0 в режиме измерения градиентов и индукции постоянных полей в режиме табличного представления Назначение органов управления в левой части панели управления не меняется. Назначение органов управления закладки «Таблица» следующее:

в окне «Вкл/выкл вывода на дисплей» выполняется включение/выключение ввода результатов измерений в таблицу;

окно «Таблица» предназначено для отображения в табличном виде результатов измерений;

кнопка «Очистить» выполняет очистку таблицы;

кнопка «Сохранить» сохраняет таблицу в виде табулированного текста в выбранном пользователем файле, окно выбора файла для сохранения таблицы приведено на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Окно выбора файла для сохранения таблицы Для выполнения измерений градиентов и индукции электромагнитного поля с представлением результатов в виде графика на экране дисплея, необходимо после запуска программы НВ Тесла 0204.5A v1.0, дождаться на экране компьютера появление окна панели управления прибором НВ0204.5A. При нажатии закладки «АС», внешний вид окна панели управления в режиме измерения индукции электромагнитных полей принимает вид (рисунок 2.10).

Назначение органов управления панели для закладки «AC» следующее:

в окне «Действующее GX, мкТл» отображается действующее значение градиента индукции электромагнитного поля компоненты X, вычисленное за последние 200 измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе индукции за верхнюю границу диапазона хотя бы для одной точки из интервала вычисления значения в окне появляется сообщение, а при выходе за нижнюю границу сообщение. Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей;

в окне «Действующее GY, мкТл» отображается действующее значение градиента индукции электромагнитного поля компоненты Y, вычисленное за последние 200 измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе индукции за верхнюю границу диапазона хотя бы для одной точки из интервала вычисления значения в окне появляется сообщение, а при выходе за нижнюю границу сообщение. Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей;

в окне «Действующее GZ, мкТл» отображается действующее значение градиента индукции электромагнитного поля компоненты Z, вычисленное за последние 200 измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе индукции за верхнюю границу диапазона хотя бы для одной точки из интервала вычисления значения в окне появляется сообщение, а при выходе за нижнюю границу сообщение. Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей;

в окне «Размах GX, мкТл» отображается значение размаха колебаний градиента индукции электромагнитного поля, вычисленное для последних измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе за границу диапазона соответствующей компоненты хотя бы один раз за время вычисления значения в окне появляется сообщение. Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей;

в окне «Размах GY, мкТл» отображается значение размаха колебаний градиента индукции электромагнитного поля, вычисленное для последних измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе за границу диапазона соответствующей компоненты хотя бы один раз за время вычисления значения в окне появляется сообщение. Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей;

в окне «Размах GZ, мкТл» отображается значение размаха колебаний градиента индукции электромагнитного поля, вычисленное для последних измерений (соответствует длительности измерений 1с). При выходе за границу диапазона соответствующей компоненты хотя бы один раз за время вычисления значения в окне появляется сообщение. Результат измерения, выводимый в это окно, зависит от выбранного режима вывода на дисплей;

в окне «Компенсация вкл/выкл» выполняется включение/ выключение программной компенсации постоянного значения измеряемой индукции поля;

окно «Длительность, мс» предназначено для установки длительности изображения на экране дисплея (предоставляется выбор одного из значений 1000,500,200,100 мс) [62].

Рисунок 2.10 - Окно панели управления прибором в режиме измерения градиентов и индукции электромагнитных полей в режиме графического представления результатов Для выполнения измерений градиентов и индукции электромагнитных магнитных полей при табличном представлении результатов, необходимо после запуска программы НВ Тесла 0204.5A v1.0 дождаться на экране появление окна панели управления прибором. При нажатии закладки «Таблица», внешний вид окна панели управления прибором в режиме измерения индукции электромагнитных полей приведен на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Окно панели управления прибором НВ0204.5A в режиме измерения градиентов и индукции электромагнитных полей при табличном представлении Закладка «Статус» панели управления прибором содержит окно, в котором содержатся текстовые сообщения о ходе процесса измерений, сообщения о возникших ошибках и возможных причинах их появления. Внешний вид окна панели управления прибором в режиме измерения индукции электромагнитных полей для закладки «Статус» приведен на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 - Окно панели управления прибором программы НВ Тесла 0204.5A v1.0 в режиме измерения индукции электромагнитных полей в режиме отображения статуса Закладка «Параметры» панели управления прибором предназначено для отображения в числовом виде всех измеряемых параметров поступающих с измерительных каналов. Внешний вид окна панели управления прибором для закладки «Параметры» приведен на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Окно панели управления прибором программы НВ Тесла 0204.5A v1.0 в режиме измерения индукции электромагнитных полей в режиме отображения статуса Назначение органов управления панели для закладки «Параметры»

следующее:

в группе «Градиент» отображаются значения градиентов магнитного поля компонент X, Y и Z. Значения обновляется один раз в секунду. При выходе значения за верхнюю границу диапазона в окне появляется сообщение, а при выходе за нижнюю границу сообщение ;

в группе «Датчик 1» отображаются значения компонент X1, Y1 и Z магнитного поля первого датчика. В поле «Модуль T1» отображается вычисленное значения модуля магнитного поля для первого датчика. Значения обновляется один раз в секунду. При выходе значения за верхнюю границу диапазона в окне появляется сообщение, а при выходе за нижнюю границу сообщение ;

в группе «Датчик 2» отображаются значения компонент X2, Y2 и Z магнитного поля второго датчика. В поле «Модуль T2» отображается вычисленное значения модуля магнитного поля для второго датчика. Значения обновляется один раз в секунду. При выходе значения за верхнюю границу диапазона в окне появляется сообщение, а при выходе за нижнюю границу сообщение ;

в группе «Акселерометр» отображаются значения двух компонент датчиков вертикального положения AX и AY. Вертикальное положения датчика соответствует значению AX = AY = 0.

Для записи в электронную таблицу необходимо разделить файл на части, чтобы массив был не более 65636 строк (проверить), озаглавить его и сохранить.

Затем открыть его в Eсxel и сохранить как таблицу [91].

2.3 Аппаратура электромагнитной диагностики трубопроводов АЭМД В 2009 г. по ТЗ Горного университета и ЗАО «ВНИИСТ-ПОИСК» (Ю.М.

Мамонтов) создана аппаратура для магнитометрического и электрометрического обследования трубопроводов в движении АЭМД (рисунок 2.14). С 2010 года аспирантом Пахотиным П.А. под руководством профессора Е.И. Крапивского разработана методика обследования подводных переходов нефте- и газопроводов с разработанной аппаратурой в полевых условиях [88].

С 2005 по 2007 г.г. по заказу Министерству образования и науки Российской Федерации под научно-техническом руководством Семенова В.В. (при участии научного руководителя профессора Е.И. Крапивского) был разработан аппаратурно-программный магнитометрический и электрометрический комплекс комплекс магнитометрической диагностики КМД-01 для обеспечения экологической безопасности объектов нефтегазового комплекса. Созданы методические основы бесконтактной диагностики технического состояния газо- и нефтепроводов. В настоящее время КМД-1 используется в диагностике трубопроводов в ЗАО «Полиинформ» (г. Санкт-Петербург).

Аппаратурный комплекс (АЭМД) для проведения лабораторных и полевых исследований магнитных и электромагнитных полей состоит:

Аппаратура электромагнитного диагностирования подземных и подводных трубопроводов содержит 6 взаимно ортогональных магниторезистивных датчиков постоянного и низкочастотного переменного магнитного поля, 6 взаимно ортогональных индукционных датчиков переменного электромагнитного поля, акселерометр, одометр и другие устройства. Отечественных и зарубежных аналогов не имеет.

Рисунок 2.14 – Аппаратура и дисплей аппаратуры электромагнитного диагностирования Принцип контроля положения трубопровода и тока в нем основан на измерении в двух точках пространства составляющих вектора напряженности переменного магнитного поля, созданного переменным током, протекающим по трубопроводу от генератора, подключаемого к трубопроводу и последующих вычислений по определенным формулам значений тока, глубины залегания трубопровода и положения приемного блока относительно оси трубопровода.

В состав аппаратуры входят приемный блок, генератор, датчик пути и GPSприемник (рисунки 2.15-2.16).

Приемный блок состоит из блока обработки и представления информации, блока приемных антенн и блока преобразователей магнитометра.

Рисунок 2.16 – Принципиальная схема работы аппаратура электромагнитной Блок приемных антенн состоит из двух блоков трехкомпонентных индуктивных преобразователей, а блок преобразователей магнитометра из двух приемных антенн обеспечивает получение информации о напряженности переменного магнитного поля, созданного генератором, а блок преобразователей постоянного магнитного поля над трубопроводом, обусловленного магнитным полем Земли.

Блок обработки и представления информации выполнен на основе микропроцессоров, имеет цветной дисплей и обеспечивает обработку результатов измерения напряженностей переменного и постоянного магнитных полей, вычисление контролируемых параметров и запись их значений в запоминающее устройство (ЗУ).

Блок обработки в реальном времени непосредственно в процессе движения оператора вдоль оси трубопровода выдает на экран дисплея графическую и цифровую информацию о токе, глубине, расстоянии L от оператора до оси трубопровода в плане, расположении оси трубопровода относительно оператора и продольной оси блока приемных антенн (слева, справа и под каким углом).

Измеренная через каждый метр трассы графическая информация о токе, глубине и расстоянии L выдается на дисплее в виде диаграмм с привязкой их к трассе.

Кроме того, блок обработки может в реальном времени выдавать на дисплей диаграммы затухания тока и сопротивления изоляции трубопровода.

Максимальная длина диаграмм, отображенная на дисплее, позволяет просмотреть результаты контроля на 200 м трассы.

Результаты магнитометрического контроля блок обработки выдает на экран дисплея в виде магнитограмм распределения постоянного магнитного поля над трубопроводом через каждые 10; 15; 20 или 25 см трассы (шаг сканирования) в двух точках пространства по каждой из трех его составляющих (нормальной, горизонтальной вдоль и горизонтальной поперек трубопровода), а также его результирующее значение в этих точках. Кроме того, в режиме градиентометра на экран дисплея выдаются магнитограммы дифференциального значения составляющей магнитного поля.

В зависимости от шага сканирования максимальная длина магнитограмм, отображенная на дисплее, позволяет просмотреть от 20 до 50 м трассы.

Получение магнитограмм может осуществляться не только в функции пути, но и в функции времени, при этом минимальный шаг сканирования по времени 50мс.

Шаг сканирования и вид сканирования (по пути или времени) задается оператором.

Блок обработки обеспечивает возможность одновременного вывода на экран дисплея в различном сочетании магнитограмм распределения магнитного поля и диаграмм глубины, расстояния L, распределения тока, его затухания и сопротивления изоляции. Тип и количество одновременно отображаемых на дисплее магнитограмм (диаграмм) задается оператором, при этом их количество может быть не более шести.

При проведении работ оператор может находиться не только над осью трубопровода, но и слева или справа от нее. Таким образом, обеспечивается возможность контроля даже в тех случаях, когда нет возможности идти над осью трубопровода (неровности грунта над трубопроводом, вода, кустарник и т. п.).

При непрерывном перемещении оператора вдоль трассы трубопровода приемный блок изменяет свое пространственное положение относительно его оси, однако это не влияет на точность контроля.

Аппаратура обеспечивает звуковую сигнализацию об отклонении глубины, тока, магнитных аномалий от заданных оператором пределов, а также о выходе оператора из зоны контроля, при этом факт и координаты места срабатывания звуковой сигнализации автоматически записывается в ЗУ.

Одновременное совмещение нескольких параметров контроля в одном приборе повысит его разрешающую способность и достоверность. Так при обработке результатов магнитометрического контроля можно будет учитывать положение магнитных преобразователей относительно оси трубопровода в плане и по глубине, так как диаграммы этих параметров будут записаны одновременно с магнитограммами.

Привязка диаграмм (магнитограмм) к трассе осуществляется датчиком пути, выдающим сигналы через каждые 5 см трассы. Кроме того, комплекс обеспечивает возможность записи меток в ЗУ для привязки диаграмм к естественным ориентирам или по усмотрению оператора, при этом координаты этих меток в глобальной навигационной системе GPS также записываются в ЗУ и выдаются (при необходимости) на экран дисплея.

Все результаты контроля автоматически записываются в ЗУ. Емкость ЗУ обеспечивает запись и хранение информации о контроле на 32 км трассы.

Блок обработки имеет режим просмотра на его дисплее записанных в ЗУ результатов контроля.

Дальнейшая обработка и документирование результатов контроля осуществляется на любом персональном компьютере по специальной программе.

Аппаратура обеспечит бесконтактный высокопроизводительный автоматический объективный контроль технического состояния трубопроводов с автоматическим документированием его результатов при непрерывном перемещении оператора вдоль трассы трубопровода. При этом с помощью комплекса проводятся одновременно два вида контроля: электрометрический и магнитометрический.

По своим функциональным возможностям комплекс не имеет в мире аналогов.

В настоящее время для обследования технического состояния трубопроводов отдельно используется аппаратура для электрометрического контроля (системы C-Scan 2010 фирмы Kowotest и РСМ фирмы Radiodetection, комплект приборов ПОИСК-021 фирмы «ПАРСЕК») и аппаратура для магнитометрического контроля (магнитометр «СКИФ» МБС-04 фирмы НТЦ «Транскор-К», измерительный комплекс для БМД газонефтепроводов фирмы «Энергодиагностика»). При этом аппаратура для электрометрического контроля обеспечивает контроль ручной, дискретный, зависящий от квалификации оператора, так как необходимо установить приемный блок этой аппаратуры в определенное положение над осью трубопровода. Поэтому контроль с помощью такой аппаратуры достаточно субъективный, а его производительность в несколько раз ниже производительности предлагаемого комплекса. Кроме того, используемая аппаратура не обеспечивает возможность контроля в тех случаях, когда над осью трубопровода большие неровности грунта, вода, кустарник и т.п.

Диагностическое обследование трубопровода с использованием АЭМД проводится одним оператором, а его трудозатраты во много раз меньше, чем с использованием существующей аппаратуры.

Особенно эффективно применение комплекса при проведении работ по паспортизации и плановым обследованиям нефте- и газопроводов.

Имеется возможность установки комплекса в модифицированном виде на транспортное средство.

Все вышеперечисленные свойства АЭМД при диагностировании подводных переходов нефте- и газопроводов делают аппаратуру незаменимыми для получения достоверной информации о техническом состоянии подводного перехода.

С 2008 по 2012 г.г. по заказу ОАО «Газпром нефть» под руководством Семенова В.В. разработаны и созданы ряд модификаций комплексов бесконтактной диагностики КБД-1, КБД-2, КБД-2М, которые успешно прошли полевые испытания по обнаружению дефектов на промысловых трубопроводах среднего и малого диаметра. Аппаратура запатентована в 2012 году.

С целью сравнения результатов, получаемых с помощью приборного комплекса АЭМД, с результатами других используемых в ОАО «Газпром»

приборов были проведены их испытания на действующем газопроводе. При этом использовались следующие приборы: система анализа состояния изоляционного покрытия и глубины залегания PCM; искатель повреждения изоляции ИПИ;

измерительная система для определения эффективности катодной защиты и контроля изоляционного покрытия MoData-2; измеритель концентрации напряжений ИКН-3М-12. Испытания проводились на контрольном участке газопровода протяженностью1400 м. Диаметр газопровода составлял 1020 мм, толщина стенки трубы 11,5 мм, изоляционное покрытие – плёночное двухслойное. Испытания показали следующее:

- результаты определения мест повреждения изоляционного покрытия с помощью АЭМД совпадают с результатами, полученными системами MoData-2, PCM и ИПИ;

- результаты измерения характеристик магнитного поля АЭМД над контрольным участком газопровода совпадают с результатами, полученными с помощью измерителя ИКН-3М-12;

результаты измерения географических координат встроенным спутниковым приёмником АЭМД и GPS-приёмником Garmin 76CSХ находятся в пределах допустимых значений, характерных для спутниковых приёмников;

относительных значений натекающего тока, полученных системой PCM и комплексом АЭМД, можно отметить их хорошую сходимость;

- чувствительность АЭМД к магнитному полю на порядок выше, чем чувствительность измерителя ИКН 3М-12, что позволяет проводить контроль газопроводов малого диаметра при большой глубине залегания;

- измерение тока на частоте 625 Гц (АЭМД) в сравнении с частотой 4,2 Гц (PCM) позволяет более эффективно определять электрическое сопротивление изоляционного покрытия благодаря большей величине коэффициента затухания тока;

- результаты измерений полностью подтверждаются обследованием газопровода в контрольном шурфе.

Таким образом, АЭМД при одном проходе оператора по трассе газопровода совмещает в себе возможности перечисленных выше приборов.

Другими преимуществами АЭМД являются наглядность представления информации и воспроизводимость результатов контроля при их точной географической привязке. Это позволяет надежно определять и назначать места шурфов, а также осуществлять мониторинг технического состояния газопровода в режиме периодического диагностирования. В настоящее время АЭМД рекомендован к сертификации и серийному производству.

По мнению разработчиков, совмещение измерений нескольких параметров в одном приборе повышает его разрешающую способность и достоверность обследования. Так при обработке результатов магнитометрического контроля учитывается положение магнитных преобразователей относительно оси трубопровода в плане и по глубине, так как диаграммы этих параметров записываются одновременно с магнитограммами.

Привязка диаграмм (магнитограмм) к трассе осуществляется датчиком пути и, кроме того, координаты точек контроля через заданное расстояние с помощью GPS-приемника фиксируются в глобальной навигационной системе GPS.

Комплекс обеспечивает возможность записи меток в ЗУ для привязки диаграмм к естественным ориентирам или по усмотрению оператора, при этом координаты этих меток в системе GPS также записываются в ЗУ.

Все результаты контроля автоматически записываются в ЗУ. Блок обработки имеет режим просмотра на его дисплее записанных в ЗУ результатов контроля. Дальнейшая обработка и документирование результатов контроля осуществляется на любом персональном компьютере по специальной программе.

При этом могут выдаваться еще и диаграммы затухания тока и сопротивления изоляции трубопровода.

Согласно рекламе комплекс заменяет аппаратуру для электрометрического контроля и аппаратуру для магнитометрического контроля. Производительность работ с применением комплекса во много раз выше, чем с использованием известных приборов.

Особенно эффективно применение комплекса при проведении работ по паспортизации и плановым обследованиям газонефтепроводов. При этом, учитывая, что трудозатраты на обследование во много раз меньше, чем с использованием известных приборов, плановые обследования можно проводить чаще, что будет способствовать повышению эксплуатационной надежности и долговечности газонефтепроводов.

2.4 Комплекс электромагнитной диагностики трубопроводов В 2009 году ООО «НПО ЭНТ» по ТЗ научного руководителя работы был создан магнитометр-градиентометр КЭМДТ (комплекс электромагнитной диагностики трубопроводов) содержит 4 трехкомпонентных датчика индукции (индукционные антенны). При необходимости может подключаться автономный датчик, который также используется в стенде внутритрубной магнитной диагностики. В этом случае стенд будет содержать 6 трехкомпонентных феррозондовых датчиков магнитной индукции. Прибор позволяет выполнять измерения трех компонент индукции постоянного магнитного поля и градиента (разности) одноименных компонент индукции постоянного и низкочастотного магнитного поля в четырех (шести) пространственных точках, а также измерение компонент индукции переменного поля в четырех пространственных точках.

Измерение и накопление результатов измерений производится с помощью компьютера. Прибор носится за спиной, а компьютер – на груди оператора.

Конструкция прибора позволяет оперативно изменять геометрическое положение и направление компонент измерительных преобразователей в соответствии с рисунком 2.17.

Рисунок 2.17 - Общий вид магнитометра-градиентометра КЭМДТ с оператором:

1, 2, 3 – преобразователи индукции переменного магнитного поля (индукционные антенны); 4, 5 – преобразователи индукции магнитного поля трехкомпонентные разностные) (феррозонды); 6 – несущий каркас измерительного блока, 7 – жгут кабелей, соединяющий измерительный блок и пульт прибора; 9 – компьютер, 10 – пульт прибора [65, 92].

Конструкция каркаса позволяет при выполнении экспериментальных исследований оперативно менять геометрическое положение и направление компонент измерительных преобразователей. Каркас представляет устойчивую конструкцию и может быть установлен на грунт для выполнения статических измерений. При выполнении измерений в движении несущий каркас с помощью системы плечевых рамок фиксируется на спине оператора.

В несущем каркасе установлены два трехкомпонентных разностных феррозондовых преобразователя длиной 800 мм (в вертикальном положении) и 600 мм (в горизонтальном положении. Возможна установка двухдатчикового трехкомпонентного феррозонда в геометрическом центре прибора.

Рабочий диапазон индукции постоянного магнитного поля ± 200 мк Тл.

Разрешающая способность индукции постоянного магнитного поля – 50нТл.

Разрешающая способность градиента (разности) индукции постоянного магнитного поля 10 нТл. [83-84] Измерения в КЭМДТ выполняются под управлением программного обеспечения в среде программного пакета LabView. Программное обеспечение позволяет проводить:

измерение первичных сигналов, поступающих со входов преобразователей;

преобразование систем координат датчиков (ортогонализация и соосность датчиков прибора выполняется математическими методами);

устранение сдвига нуля преобразователей;

калибровку коэффициентов передачи преобразователей; визуализацию результатов измерений;

накопление результатов измерений.

Система сбора данных обеспечивает:

сбор и сохранение в текстовый файл 18 каналов данных;

отображение на дисплее в цифровой и графической формах данных, поступающих по любым 6 каналам из 18 возможных.

В магнитометре-градиентометре КЭМДТ выполняется сбор и накопление значений следующих величин:

горизонтальным X преобразователем;

преобразователем;

преобразователем;

преобразователем;

преобразователем;

преобразователем;

GXx – компонента X градиента индукции МП, измеренная горизонтальным преобразователем;

GXy – компонента Y градиента индукции МП, измеренная горизонтальным преобразователем;

GXz – компонента Z градиента индукции МП, измеренная горизонтальным преобразователем;

GZx – компонента X градиента индукции МП, измеренная вертикальным преобразователем;

GZy – компонента Y градиента индукции МП, измеренная вертикальным преобразователем;

GZz – компонента Z градиента индукции МП, измеренная вертикальным преобразователем;

BXh – действующее значение индукции X компоненты переменного МП, измеренная верхним преобразователем;

BXu – действующее значение индукции X компоненты переменного МП, измеренная нижним преобразователем;

– действующее значение индукции Z компоненты переменного МП, измеренная вертикальным преобразователем;

– компонента X акселерометра;

– компонента Y акселерометра;

– компонента Z акселерометра.

Введение поправок за отклонение прибора от вертикального положения осуществляется по формуле 2.1.

Коэффициенты k, n, m могут принимать как положительные, так и отрицательные значения и устанавливаются оператором на основании результатов моделирования.

следующее:

циклический ввод результатов измерения с одним из следующих периодов квантования: 5 мс, 10 мс, 100 мс и 1000 мс для режима измерения индукции постоянных полей;

вычисление модуля вектора индукции постоянного магнитного поля;

осреднение результатов измерения по заданному пользователем числу точек (от 2 до 100) для режима измерения индукции постоянных полей;

компенсацию постоянного смещения нуля, с учетом осреднения, для режима измерения индукции постоянных полей;

автоматическую компенсацию постоянного смещения нуля, для режима измерения индукции электромагнитных полей;

вычисление следующих параметров электромагнитного поля:

вычисление модуля вектора индукции;

действующих значений компонент и модуля вектора индукции;

размаха значений компонент и модуля вектора индукции;

автоматическое документирование результатов измерений в виде графика и таблицы, сохраняемых в графических и текстовых файлах соответственно;

контроль напряжения питания прибора;

отображение служебной информации о типе, версии и серийном номере прибора;

сохранение в системном реестре параметров настройки COM порта, используемого для подключения прибора к ПК [92].

Патентный поиск и экспериментальные исследования показали:

неоднородном магнитном поле, и получаемые градиенты одноименных компонент имеют большую погрешность;

Для получения полного набора компонент постоянного магнитного равняется шести;

Во многих способах диагностики технического состояния подземных трубопроводов существует необходимость предварительного трассирования трубопроводов, что приводит к повышению трудозатрат и снижению точности привязки выявляемых дефектов. [65] С учетом всего выше изложенного был предложен метод диагностики технического состояния подземных трубопроводов, для реализации которого было предложено применения системы датчиков, состоящей из трех феррозондов постоянного магнитного поля, расположенных ортогонально друг относительно друга и акселерометра (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 - Схема дистанционного магнитометрического контроля подземного трубопровода, диаметром - D и расстояние между центральной осью трубопровода и 1,2,3 – преобразователи индукции переменного магнитного поля однокомпонентный (индукционные антенны) НВ0809; 4 – преобразователь индукции постоянного магнитного поля трехкомпонентной разностной (феррозонд) НВ0709-800 (вертикальное положение); 5 – преобразователи индукции магнитного поля трехкомпонентной разностной (феррозонд) НВ0709-600 (горизонтальное положение); 6 – трехкомпонентный акселерометр; 7,8,9,10,11,12 – трехкомпонентные феррозонды; 13 – металлический трубопровод; 14 – феррозондовая антенна; 15 – поверхность грунта; 16 – центральная ось трубопровода;