Томография концентрации напряжений

Новый инструмент для дистанционного контроля состояния стенок трубопроводов, толщины покрытия и напряжения одновременно

 

На протяжении многих лет решения по обеспечению целостности базировались на геометрии дефектов, поскольку почти все традиционные методы контроля обеспечивали только измерение размера дефекта. Для каждой категории дефектов были разработаны свои методики. Однако проблема для специалистов, ответственных за целостность конструкции, заключается в напряжении на участке, где достигается максимальный предел прочности материала, вызывая его разрушение. Множество экспериментов и исследований проводилось, чтобы учесть размер, тип и расположение дефектов, эксплуатационное состояние детали и многие другие факторы, при определении целостности. Эти методики обычно весьма консервативные и поэтому не очень эффективные, даже если один метод контроля может охватить все типы дефектов. Компания Speir Hunter использовала инновационный подход для прямой оценки состояния трубопроводов, независящий от любых других факторов, включая тип дефекта и условия эксплуатации. Этот метод контроля сейчас известен во всем мире как томография концентрации напряжений (SCT); в данной статье подробно описываются основные принципы и приводятся некоторые примеры его использования.

 

Предпосылки

 

Эффект намагниченности под действием напряжений, который также называется обратной магнитострикацией, в стали был мало известен, пока компания Speir Hunter не запустила и не профинансировала научно-исследовательский проект, проведенный совместно с Лидским университетом. Компания National Grid также инвестировала в последние этапы проекта.

 

Магнитострикация впервые была открыта Джоулем в 1842 году, который использовал железный стержень и механические рычаги, чтобы показать, что стержень расширяется в направлении приложенной намагниченности (1). В 1865 году Виллари показал, что растягивающее напряжение стального стержня будет изменять магнитное поле вокруг стержня; это явление, обратное магнитострикации, известно как магнитоупругий эффект, или эффект Виллари (2).

 

За последние десятилетия магнитоупругий эффект был исследован в ближней зоне магнитного излучения стальных стержней. Исследовательская группа Лидского университета обнаружила взаимосвязь между напряжением и магнитным полем, создаваемым стальными конструкциями под воздействием местных коррозионных, металлургических и механических напряжений, сосредоточенных на участках стальных труб.

 

Магнитное поле стальных стержней было точно измерено в ближней и дальней зонах, а также была предложена математическая модель, описывающая взаимосвязь между одноосным напряжением и изменением магнитного поля. Это была первая попытка исследовать магнитоупругий эффект в дальних зонах. Модель была расширена для трехосных напряжений и проверена на одном подвесном участке трубопровода, закрытом заглушкой. Напряжение в стенке трубы создавалось внешней нагрузкой посередине и избыточным давлением на определенном участке трубы. Нажим на трубу посередине вызовет мгновенную магнитную реакцию от трубы, которую способен показать даже обычный компас. Хотя разработанная математическая модель была успешно проверена, объяснение этого явления все еще остается гипотетическим.

 

Когда участок ферромагнитной трубы изготавливается на заводе, он фактически становится стержневым магнитом с северным и южным полюсами, поскольку застывает, превышая свою точку Кюри. Формируются магнитные домены и в зависимости от условий отверждения их магнитные полюсы будут произвольно ориентированы. Эта структура остается неизменной, пока на нее не повлияют два фактора. Первый, более широко известный, заключается в том, что внешняя магнитная индукция может вращать магнитные диполи; это самый распространенный способ изготовления постоянных магнитов. Второй фактор, который был изучен в данном исследовании, заключается в том, что микроскопическая механическая деформация будет механически изменять ориентацию диполей. Например, продольное растягивающее напряжение будет механически растягивать магнитные домены в том же направлении и еще больше ориентировать диполи в этом направлении. Более ориентированные диполи означают более сильное магнитное поле, которое можно зарегистрировать даже на расстоянии.

 

Рисунок 1. Сканер UNISCAN дистанционно собирает данные о трубопроводе и его положении.

 

Для действующего трубопровода условия эксплуатации будут создавать равномерное напряжение в продольном направлении, радиальном направлении по его длине и по окружности. Это образует базовую линию магнитного поля, которое можно измерить на расстоянии от трубы. Сформированные дефекты, такие как коррозия, трещины, вмятины и т.д., и внешние силы, такие как смещение грунта, будут вызывать и увеличивать местные напряжения в сравнении с неповрежденным участком трубопровода. В результате исходная ориентация магнитных диполей будет меняться локально, что, в свою очередь, повлияет на базовую линию магнитного поля. Это и есть магнитная реакция на увеличенное местное напряжение, которая называется характеристикой магнитного поля местных напряжений, или зоной концентрации напряжений (SCZ). Хотя характеристика магнитного поля обладает мгновенной интенсивностью, современные передовые технологические средства позволяют ее зафиксировать.

 

Характеристики томографии концентрации напряжений

 

Для томографии концентрации напряжений (SCT) используются также термины: магнитометрия на большом расстоянии (LSM) и более распространенный - дистанционная магнитометрия.  Преимущества использования SCT в качестве средства контроля многообразны. Это технология дистанционного контроля, при которой не требуется контакт целевым объектом и подача энергии. Она выявляет явления естественного происхождения и, таким образом, обнаруживает все причины повышения местных напряжений, обусловленных коррозией, трещинами, неполным проплавлением сварных швов, коррозионным растрескиванием, плоть до скручивания и сгибания, вызванных движением грунта. Поскольку это метод дистанционного контроля, отсутствуют ограничения, связанные с конфигурацией сборки трубопровода, не требуется изменение рабочего режима, что позволяет избежать скрытых расходов.

 

Определение характеристик магнитного поля было одной из основных задач, однако их понимание оказалось еще более сложной проблемой при разработке SCT. В отсутствии научных работ, подтверждающих существование и документирующих характеристики намагниченности под действием напряжений, необходимо было разработать средства обнаружения и отслеживания магнитных сигналов, создаваемых дефектами, а затем изучить и интерпретировать полученные данные. Компания Speir Hunter и ее команда достигли успеха в решении обоих задач. Для сбора данных был разработан инструмент, состоящий из сканирующего устройства и обзорной системы позиционирования, который мог фиксировать точные геокоординаты магнитных и других данных датчиков.

 

Зная математическую зависимость между характеристиками магнитного поля и его источником, можно было определить наличие и расположение дефектов в стенках трубопровода с точностью до сантиметра. Величину местного напряжения в зоне дефекта можно оценить с точностью до 25 МПа независимо от его источника, таким образом можно получить профиль напряжения стенки трубопровода. Средства SCT также позволяют определить с точностью до сантиметра: расположение кольцевых сварных швов, начало и конец кожухов, изменение толщины стенки, изменение диаметра и изгибы трубы, полученные методом управляемого кольцевого смятия. Кроме того, можно определить местоположение дефектоскопов, используемых для внутреннего контроля трубопроводов, но, возможно, самая уникальная возможность этой технологии - это трехмерное построение трассы трубопровода с использованием магнитных данных, которые включают толщину покрытия, расстояние до земной поверхности и точный маршрут трубопровода.

 

Далее будут представлены некоторые результаты полевых испытаний SCT. Они охватывают только несколько типов дефектов среди многих, которые были успешно обнаружены средствами SCT.

 

Коррозия и потеря металла

 

Потеря металла - это самый распространенный дефект, вызывающий проблемы в трубопроводах, а коррозия считается причиной многих из них (потеря металла также может быть обусловлена механическими повреждениями или проблемами в конструкции). Уменьшение толщины стенки трубопровода увеличивает плотность линий потока напряжений на данном участке и вызывает концентрацию напряжений. В трубе, находящейся под действием рабочего давления, обычно преобладает окружное напряжение, и концентрация напряжений с большей вероятностью будет увеличиваться в том же направлении.

 

Для данного примера был выбран трубопровод, который прошел проверку в 2009 году, после чего несколько дефектов было устранено. В 2015 году была проведена повторная проверка методом рассеяния магнитного потока (MFL) с учетом типов потери металла, обусловленных дефектами, с помощью средств внутритрубного контроля (ILI). Было обнаружено два дефекта, подлежащих дорогостоящему ремонту, исходя из снижения толщины стенки примерно на 20%.

 

Сканирование SCT проводилось после повторного цикла ILI в 2015 году на участке трубопровода длиной 500 м без информации о расположении этих дефектов. Один из дефектов соответствовал дефекту, обнаруженному методами SCT и обладающему самым высоким уровнем напряжений на обследуемом участке, в то время как другой дефект оценивался как имеющий гораздо более низкий уровень напряжения, несмотря на наличие коррозионной язвы такой же глубины, что и у первого дефекта. Сигнал SCT был зафиксирован всего на 15 см дальше от фактического расположения дефекта, обнаруженного в 2015 году (см. рисунок 2). По данным SCT за 2015 год, наиболее серьезный дефект имел уровень напряжений 67% от нормативного минимального значения предела текучести (SMYS) материала, тогда как в результатах ILI указывалось снижение толщины стенки на 26%.

Рисунок 2. Потеря металла из-за коррозии с уменьшением толщины стенки на 26%.

 

Второй дефект по результатам ILI проявил снижение толщины стенки на 19%, в то время как данные SCT указывают на гораздо более низкое местное напряжение - 30% от SMYS. После проведения дорогостоящих земляных работ в месте второго дефекта было обнаружено, что после проверки в 2009 году были выполнены ремонтные работы путем струйной обработки и шлифования поверхности, поскольку потеря толщины стенки составляла чуть меньше 20%, что было предельным значением для необходимости выполнения ремонтных работ. Хотя глубина потери металла все еще составляла 19% от толщины стенки, сглаживание поверхности позволило снять местное напряжение, поэтому SCT определила гораздо меньший уровень напряжений в сравнении с первой проверкой. Данная методика контроля напряжений могла бы сэкономить средства, потраченные на земляные работы, усовершенствовав традиционные критерии, основанные только на геометрии дефекта.

 

Проверка точности полученного уровня напряжений оказалась труднодостижимой в реальных условиях, однако после обнажения дефектов их размеры можно было точно измерить, и на основе этого была построена трехмерная геометрическая модель для расчета местных напряжений в зоне дефектов в том же эксплуатационной состоянии, что и во время проверки. Расчеты выполнялись методом конечных элементов, а полученные результаты соответствовали данным SCT об уровне напряжений.

 

Трещины и коррозионное растрескивание

 

Еще одной уникальной особенностью метода SCT является возможность обнаружения трещин, даже на стадии микротрещин до серьезного повреждения трубопровода. В приведенном примере обнаруженные трещины были неглубокими, и трубопровод был отремонтирован посредством простого шлифования трещин до возникновения серьезного повреждения. Два дефекта находились на расстоянии 100 м друг от друга. Один дефект был на стадии микротрещины с максимальной длиной 10 мм, другой образовал продольную трещину длиной около 140 мм. По данным SCT, зоны концентрации напряжений в этих двух точках составляли около 68% от SMYS. Данные дефекты представлены на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3. Микротрещины, максимальная длина 10 мм.

Рисунок 4. Продольные линейные дефекты, максимальная длина 140 мм.

 

Внешние нагрузки

 

К преимуществам мониторинга напряжений в стенках труб вместо изменения геометрии также можно отнести возможность обнаружения любой внешней нагрузки, вызывающей местное напряжение в трубопроводе (однако SCT не может идентифицировать источник концентрации напряжений). Такая возможность этой методики весьма полезна в следующей ситуации. Например, точный маршрут трубопровода и измерение толщины покрытия, полученное сканирование SCT, позволяет увидеть отклонение трассы трубопровода от прямой линии и локальное изменение толщины покрытия, что указывает на то, что трубопровод пострадал от оползня и выгибается вверх на участках, определенных методами SCT как зоны концентрации напряжений с заметно более высокими уровнями напряжения. На рисунке 5 представлен вид сверху подобного бокового отклонения.

 

Рисунок 5. Трасса трубопровода, обозначенная синим цветом, показывает боковое отклонение от прямой линии из-за оползня.

 

Дефекты при сварке

 

SCT может определить не только местоположение кольцевых сварных швов, но и дефекты сварки и/или признаки коррозии вблизи сварного шва или на нем. В следующем примере из-за некачественного сварного шва произошла протечка воды под покрытие, что привело к образованию внешней коррозии площадью 638 х 180 мм с максимальной глубиной 8% от толщины стенки. Изменение толщины стенки произошло вдоль кольцевого сварного шва и привело к вдавливанию на другой стороне трубы в качестве компенсации. На рисунке 6 показана деформация в положении на 12 часов, на рисунке 7 - вмятина в положении на 10 часов. Деформация сварного шва и вмятина привели к попаданию воды под покрытие и образованию коррозионных язв.

Рисунок 6. Деформация кольцевого сварного шва на 2 мм.

Рисунок 7. Вмятина размером 4,25 мм около сварного шва между 9 и 11 часами

Выводы

Мониторинг напряжений обладает множеством преимуществ по сравнению с принятыми традиционными методами проверки дефектов. Он может обеспечить более точную оценку с точки зрения степени серьезности дефекта. Наличие и местоположение дефекта теперь можно определить посредством автоматизированного алгоритмического анализа магнитных данных, полученных с помощью запатентованного оборудования UNISCAN™. В данной статье приведены некоторые примеры дефектов, которые были успешно обнаружены с использованием этой методики. Для достижения данного этапа развития потребовалось 6 лет, и сейчас SCT широко применяется в качестве дополнительного средства для оборудования исследования градиента потенциала постоянного тока (DCVG), в качестве дополнительного инструмента при прямой оценке наружной коррозии, в качестве скринингового инструмента при размещении аппаратуры высокого разрешения, при определении точного места проведения земляных работ, а также в качестве самостоятельного инструмента для определения местоположения застрявших дефектоскопов, используемых при внутреннем контроле трубопроводов. Томографию концентрации напряжений также можно использовать для составления схемы трасс трубопроводов, обозначения таких особенностей, как кожухи, изменения толщины стенки, и для оценки потенциальных угроз для трубопроводов в геоопасных местах. Ее также можно использовать для мониторинга изменений толщины покрытия в зонах эрозии почв. При использовании методов SCT, которые позволяют напрямую оценить уровень напряжений, отпадает необходимость в применении консервативного статистического подхода для оценки степени опасности дефектов в условиях эксплуатации.

 

Преимущества становятся очевидными в ситуациях, когда ни один традиционный метод не позволяет определить геометрию дефекта, например, при сочетании трещин и коррозии. Еще предстоит предпринять дополнительные шаги по разработке международного рекомендуемого свода правил для использования результатов SCT непосредственно в программах контроля целостности. А пока компании могут устанавливать свои собственные правила, используя эту методику или SCT в качестве дополнительного инструмента для распределения приоритетности в графике технического обслуживания или повышения эффективности своего бюджета на техобслуживание.

 

Список использованных источников

 

(1) Джоуль, Дж. П., журнал Sturgeons Annals of Electricity, 8, 359. (1842 г.)

(2) Виллари, Э., журнал Ann. Phys., Лейпциг, 126, 87. (1865 г.)

 

Примечание: SCTTM и UNISCAN™ являются зарегистрированными товарными знаками компании Speir Hunter UK Ltd.