Способ оценки глубины трещин на поверхности труб
METHOD FOR ASSESSING THE DEPTH OF CRACKS ON THE SURFACE OF PIPES

Изобретение относится к области диагностического контроля поверхности стальных изделий при определении их технического состояния и может быть использовано для обнаружения и оценки глубины трещин, в том числе внутри колоний коррозионного растрескивания под напряжением (КРН).
При техническом диагностировании объектов, таких как металлические трубопроводы, сосуды, работающие под давлением, транспортное и энергетическое оборудование, для выявления и оценки глубины трещин применяются вихретоковый и электропотенциальный методы неразрушающего контроля (НК), основанные на перераспределении электрического тока, обтекающего трещину.
Известен способ определения глубины локализованных на поверхности труб повреждений КРН («Инструкция по оценке дефектов труб и соединительных деталей при ремонте и диагностировании магистральных газопроводов», утв. зам. Председателя Правления ОАО «Газпром» от 05.09.2013), заключающийся в контролируемой шлифовке поверхности труб с колониями трещин в комбинации с магнитопорошковым, ультразвуковым методами НК и оптико-визуальным методом оценки наличия на вышлифованной поверхности остаточных трещин. Недостаток данного способа - низкая производительность и точность результатов оценки глубины в местах скопления множественных трещин на поверхности крупногабаритных стальных изделий и конструкций, например, трубопроводов.
r
r
0
0
2
При ручном контроле для измерения глубины одиночных поверхностных трещин применяется электропотенциальный метод (Вавилов В.П., Подмастерьев К.В., Соснин Ф.Р. и др. Неразрушающий контроль / Под общей редакцией В.В. Клюева. М., 2006. Том 5. Книга 2. Электрический контроль, С.498-502). Данный метод основан на зависимости напряжения Uмежду установленными вблизи дефекта потенциальными электродами от параметров трещины, обтекаемой постоянным или переменным электрическим током. О глубине трещины судят по отношению U/U, где U - напряжение на бездефектном участке, аналогичном по своим геометрическим параметрам дефектному. При этом за счет непосредственного ввода тока существенно снижается погрешность оценки глубины трещины, связанная с неточностью позиционирования электропотенциального преобразователя относительно трещины, так как влияние рабочего зазора полностью исключается. Недостатками данного метода является трудоемкость, связанная с необходимостью многократных измерений для выявления наиболее глубокой трещины внутри протяженной колонии или участка протяженной трещины, а также недостоверная оценка глубины скоплений близкорасположенных трещин (плотностью более 4 единиц на см) на поверхности объекта контроля, например, колоний КРН из-за отсутствия возможности установки электродов преобразователя только над одной измеряемой трещиной.
э
12
н
12
э
12
Известен также способ вихретокового контроля (патент РФ №2664867, МПК G01N 27/90), принятый за прототип.В данном способе устанавливают накладной вихретоковый преобразователь (ВТП), подключенный к выполненному с возможностью амплитудно-фазовой обработки сигнала электронному блоку, компенсируют вихретоковый сигнал накладного вихретокового преобразователя на бездефектном участке контролируемого объекта, регулируют фазу опорного напряжения для амплитудно-фазового преобразования вихретокового сигнала, устанавливают вихретоковый преобразователь в зоне измерения симметрично над измеряемой трещиной, регистрируют изменение вихретокового сигнала относительно скомпенсированного вихретокового сигнала после амплитудно-фазового преобразования и используют зарегистрированное изменение для определения глубины измеряемой трещины на контролируемом участке по градуировочным характеристикам, полученным с помощью контрольных образцов с искусственными трещинами разной глубины, при этом предварительно выбирают вихретоковый преобразователь с эквивалентным радиусом R, не превышающим расстояние В от измеряемой трещины до ориентированной вдоль нее соседней трещины, перед регулировкой фазы опорного напряжения устанавливают его напротив зоны измерения с внешней не обращенной к измеряемой трещине стороны соседней трещины на расстоянии R=B-R, где B - расстояние между измеряемой и соседней трещинами в зоне измерения, а фазу опорного напряжения регулируют из условия подавления вихретокового сигнала, вносимого соседней трещиной.
Указанный способ не позволяет получить достоверную оценку глубины трещины с извилистой и наклонной траекторией развития от нормали к поверхности объекта контроля. Трещины с такими морфологическими особенностями характерны, например, для дефектных участков магистральных газопроводов с повреждениями КРН.
Задачей предлагаемого изобретения является создание универсального способа оценки глубины трещин на поверхности труб.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение производительности и достоверности оценки глубины трещин на поверхности труб, в том числе КРН, с различной морфологией развития по глубине, раскрытием и плотностью расположения на поверхности объекта контроля, при диагностировании крупногабаритных стальных изделий и конструкций штатными средствами НК.
max
min
доп
Технический результат достигается тем, что в способе оценки глубины трещин на поверхности труб на первом этапе оценки проводят оценку глубины трещин с использованием вихретокового дефектоскопа, оснащенного накладным вихретоковым преобразователем с эффективным диаметром более 10 мм, при этом сначала устанавливают динамический режим работы упомянутого вихретокового дефектоскопа и проводят с его помощью операции по обнаружению на поверхности труб дефектных участков, содержащих трещины, при этом в обнаруженном дефектном участке выделяют зоны с максимальными показаниями упомянутого вихретокового дефектоскопа, затем переводят упомянутый вихретоковый дефектоскоп в статический режим и с его помощью проводят измерения глубин трещин в упомянутых зонах, после чего осуществляют предварительное ранжирование в зависимости от вычисленных по формулам (1) и (2) значений глубин трещин h и h, которые сравнивают со значением допустимой глубины трещины h,
где
- среднеарифметическое значение измерений глубин трещин,
(+δ), (-δ) - установленные предельные погрешности измерений в диапазоне показаний, в который попадает ,
доп
h - допустимая глубина трещины, определенная эксплуатационной документацией на трубу, при которой возможна ее дальнейшая эксплуатация по ее назначению,
при этом в случае,
max
доп
если h<h, дальнейшую дефектоскопию не проводят, трубу продолжают эксплуатировать по назначению, а трещины относят к категории «условно допустимо»,
min
доп
если h>h, труба подлежит ремонту, трещины относят к категории «недопустимо»,
min
доп
max
если h<h<h, трещины относят к категории «требует уточнения»,
затем на участке, на котором выявлены трещины, относящиеся к категории «требует уточнения», проводят магнитопорошковую дефектоскопию дефектного участка, по результатам которой визуально идентифицируют дефектные участки, на которых расположены колонии трещин, и фиксируют плотность расположения трещин в колониях относительно друг друга,
max
min
после чего проводят второй этап оценки, на котором осуществляют измерения глубины трещин в упомянутых колониях, при этом упомянутые измерения проводят вихретоковым дефектоскопом, оснащенным накладным вихретоковым преобразователем с эффективным диаметром менее 3 мм и работающим в статическом режиме, а затем осуществляют дополнительное ранжирование трещин также как и на первом этапе оценки в зависимости от вычисленных по упомянутым выше формулам (1) и (2) значениям глубин трещин h и h,
при этом в случае,
max
доп
если h<h, дальнейшую оценку не проводят, трубу продолжают эксплуатировать по назначению, трещины относят к категории «условно допустимо»,
min
доп
если h>h, труба подлежит ремонту, трещины относят к категории «недопустимо»,
min
доп
max
если h<h<h,трещины относят к категории «требует уточнения»,
2
2
max
min
для колоний трещин, отнесенных по результатам второго этапа оценки к категории «требует уточнения» при их плотности расположения в колониях относительно друг друга более 4 единиц трещин на 1 см, дальнейшую оценку глубины трещин осуществляют методом контролируемой шлифовки, а для колоний трещин, отнесенных по результатам второго этапа оценки к категории «требует уточнения» при их плотности расположения в колониях относительно друг друга менее 4 единиц трещин на 1 см, проводят третий этап оценки и измеряют глубину трещин с помощью электропотенциального трещиномера в точках колоний трещин, в которых на втором этапе оценки вихретоковый дефектоскоп, оснащенный накладным вихретоковым преобразователем с эффективным диаметром менее 3 мм, показал максимальные значения, и осуществляют контрольное ранжирование, в зависимости от вычисленных по упомянутым выше формулам (1) и (2) значений глубин трещин h и h по данным измерений электропотенциальным трещиномером,
в случае,
max
доп
если h<h, дальнейшую дефектоскопию не проводят, трубу продолжают эксплуатировать по назначению, трещины относят к категории «условно допустимо»,
min
доп
если h>h, труба подлежит ремонту, трещины относят к категории «недопустимо»,
min
доп
max
если h<h<h, трещины относят к категории «требует уточнения», и дальнейшую оценку глубины трещин осуществляют методом контролируемой шлифовки.
Заявленное изобретение поясняется схемой. На схеме представлены следующие операции по оценке глубины трещин на поверхности труб:
1 - обнаружение дефектных участков с помощью вихретокового дефектоскопа, оснащенного накладным вихретоковым преобразователем с эффективным диаметром более 10 мм;
2 - измерение глубины трещин с помощью вихретокового дефектоскопа, оснащенного накладным вихретоковым преобразователем с эффективным диаметром более 10 мм, и предварительное ранжирование;
3 - магнитопорошковая дефектоскопия дефектного участка;
4 - измерение глубины трещин с помощью вихретокового дефектоскопа, оснащенного накладным вихретоковым преобразователем с эффективным диаметром менее 3 мм, и дополнительное ранжирование;
5 - измерение глубины трещин с помощью электропотенциального трещиномера и контрольное ранжирование;
6 - контролируемая шлифовка.
Способ оценки глубины трещин на поверхности труб осуществляется следующим образом. Для оценки глубины трещин используют комплексирование методов неразрушающего контроля.
На первом этапе оценки проводят оценку глубины трещин с использованием вихретокового дефектоскопа, оснащенного накладным вихретоковым преобразователем с эффективным диаметром более 10 мм. В основе метода вихретоковой дефектоскопии лежит измерение вихревых токов, возникающих возле подповерхностных дефектов в магнитном поле. При возникновении таких токов на исследуемом участке фиксируют показания электромагнитного поля вихревых токов, образующихся при нахождении дефекта.
Сначала устанавливают динамический режим работы упомянутого выше вихретокового дефектоскопа, и методом вихретоковой дефектоскопии проводят операции по обнаружению на поверхности труб дефектных участков, содержащих трещины. В обнаруженном дефектном участке выделяют зоны с максимальными показаниями вихретокового дефектоскопа, затем переводят вихретоковый дефектоскоп в статический режим, и с его помощью проводят измерения глубин трещин в упомянутых зонах. За измеренное значение глубины трещин  принимают среднее арифметическое из всех полученных отдельных измерений, не менее пяти, исключая из расчета явные грубые ошибки.
max
min
Для оценки диапазона глубин трещин по результатам измерений вычисляют по формулам (1) и (2) максимальное (h) и минимальное (h) возможные значения глубины трещин.
где
- среднеарифметическое значение измерений глубин трещин,
(+δ), (-δ) - установленные предельные погрешности измерений в диапазоне показаний, в который попадает ,
доп
_
h допустимая глубина трещины, определенная эксплуатационной документацией на трубу, при которой возможна ее дальнейшая эксплуатация по ее назначению, как правило, это 10% от толщины стенки трубы.
В таблице 1 представлены значения экспериментально установленных для каждого объекта контроля относительных минимальных - δ, % и максимальных + δ, % погрешностей приборов, реализующих методы неразрушающего контроля (метод вихретоковой дефектоскопии с ВТП с эффективным диаметром более 10 мм и с ВТП с эффективным диаметром менее 3 мм и электропотенциальный метод с использованием электропотенциального трещиномера) внутри различных диапазонов глубин трещин с шагом не более 1 мм.
Выбор вихретоковых преобразователей осуществляется с учетом требований по чувствительности, локальности и производительности контроля:
- ВТП с эффективным диаметром D более 10 мм обеспечивает максимальную производительность контроля;
- ВТП с эффективным диаметром D менее 3 мм следует применять для более точной оценки глубины дефектов КРН в локальной области контроля.
max
min
доп
Затем осуществляют предварительное ранжирование в зависимости от вычисленных значений глубин трещин h и h, которые сравнивают со значением допустимой глубины трещины h,
при этом в случае,
max
доп
если h<h, дальнейшую дефектоскопию не проводят, трубу продолжают эксплуатировать по назначению, а трещины относят к категории «условно допустимо»,
min
доп
если h>h, труба подлежит ремонту, трещины относят к категории «недопустимо»,
min
доп
max
если h<h<h, трещины относят к категории «требует уточнения».
Затем на участке, на котором выявлены трещины, относящиеся к категории «требует уточнения», проводят магнитопорошковую дефектоскопию дефектного участка, по результатам которой визуально идентифицируют дефектные участки, на которых расположены колонии трещин, и фиксируют плотность расположения трещин в колониях относительно друг друга.
Метод магнитопорошковой дефектоскопии основан на выявлении рассеяния магнитного поля над дефектами. Этот метод является самым наглядным, т.к. принцип обследования заключается в нанесении магнитного порошка на исследуемый участок, в результате чего при действии магнитного поля частицы намагничиваются и соединяются. Визуально можно наблюдать скопления порошка (магнитной суспензии) в зонах трещин.
max
min
Далее проводят второй этап оценки, на котором осуществляют измерения глубины трещин в упомянутых колониях, при этом измерения проводят вихретоковым дефектоскопом, оснащенным накладным вихретоковым преобразователем с эффективным диаметром менее 3 мм и работающим в статическом режиме. После измерения глубины трещин осуществляют дополнительное ранжирование трещин также как и на первом этапе оценки в зависимости от вычисленных по упомянутым выше формулам (1) и (2) значениям глубин трещин h и h, при этом в случае,
max
доп
если h<h, дальнейшую оценку не проводят, трубу продолжают эксплуатировать по назначению, трещины относят к категории «условно допустимо»,
min
доп
если h>h, труба подлежит ремонту, трещины относят к категории «недопустимо»,
min
доп
max;
если h<h<h трещины относят к категории «требует уточнения».
2
Для колоний трещин, отнесенных по результатам второго этапа оценки к категории «требует уточнения» при их плотности расположения в колониях относительно друг друга, которая определяется визуально и составляет более 4 единиц трещин на 1 см, дальнейшую оценку глубины трещин осуществляют методом контролируемой шлифовки.
2
Для колоний трещин, отнесенных по результатам второго этапа оценки к категории «требует уточнения» при их плотности расположения в колониях относительно друг друга, которая определяется визуально и составляет менее 4 единиц трещин на 1 см, проводят третий этап оценки и измеряют глубину трещин с помощью электропотенциального трещиномера в точках колоний трещин, в которых на втором этапе оценки вихретоковый дефектоскоп, оснащенный накладным вихретоковым преобразователем с эффективным диаметром менее 3 мм, показал максимальные значения.
max
min
Осуществляют контрольное ранжирование, в зависимости от вычисленных по упомянутым выше формулам (1) и (2) значений глубин трещин h и h по данным измерений электропотенциальным трещиномером, при этом в случае,
max
доп
если h<h, дальнейшую дефектоскопию не проводят, трубу продолжают эксплуатировать по назначению, трещины относят к категории «условно допустимо»,
min
доп
если h>h, труба подлежит ремонту, трещины относят к категории «недопустимо»,
min
доп
max
если h<h<h, трещины относят к категории «требует уточнения», и дальнейшую оценку глубины трещин осуществляют методом контролируемой шлифовки.
Измерения глубины трещин электропотенциальным трещиномером основано на использовании зависимости электрического сопротивления металла от геометрических параметров несплошностей в нем. Измеряют разность потенциалов на бездефектном и на дефектном участках ("берега" трещины) поверхности металла. Соотношение полученных данных характеризует геометрические размеры трещины.
Контролируемая шлифовка заключается в вышлифовке дефектов с контролем их остаточной глубины в процессе шлифовки, а также контролем результатов ремонта, включая подтверждение полноты устранения дефектов и определение размеров образовавшихся выемок.
доп
В качестве примера осуществления заявленного способа приведен процесс проведения, категорирования и отбраковки труб магистрального газопровода наружным диаметром труб 1420 мм и толщиной стенки 15,7 мм с дефектами коррозионного растрескивания под напряжением. Допустимая глубина дефекта h составляет 1,57 мм (10% от толщины стенки трубопровода).
Настройку вихретокового дефектоскопа, оснащенного накладным ВТП с плоской рабочей поверхностью и с эффективным диаметром более 10 мм проводят по контрольному образцу с искусственными несплошностями, имитирующими трещины глубиной 0,3 мм и 1,57 мм (10% от толщины стенки контролируемой трубы).
Проводят обнаружение трещин вихретоковым дефектоскопом, оснащенным накладным ВТП с плоской рабочей поверхностью и эффективным диаметром более 10 мм, в динамическом режиме работы дефектоскопа. В результате выявляют два дефектных участка (№1, №2), в которых выделяют зоны с максимальными показаниями вихретокового дефектоскопа.
Для оценки глубины трещин дефектного участка №1 в зоне с максимальными показаниями вихретокового дефектоскопа проводят 5 измерений в статическом режиме работы вихретокового дефектоскопа с ВТП плоской рабочей поверхностью и с эффективным диаметром более 10 мм.
Были получены следующие значения, представленные в таблице 2.
Рассчитывают среднеарифметическое значение измерений глубин трещин  по формуле:
max
min
Проводят вычисление (h) и (h) с учетом погрешностей вихретокового дефектоскопа с плоской рабочей поверхностью с эффективным диаметром D более 10 мм, установленных в диапазоне №1 «до 0,6 вкл.» по таблице 1, где (-δ)=66%; (+δ)=184%:
Осуществляют предварительное ранжирование в соответствии с таблицей 3.
МAX
доп
Выполняется усл.1 (h<h), соответственно принимают решение об отсутствии необходимости проведения дальнейшей дефектоскопии, трубу продолжают эксплуатировать по назначению при условии периодического контроля в связи с возможным подрастанием трещин в ходе дальнейшей эксплуатации.
Для оценки глубины трещин дефектного участка №2 в зоне с максимальными показаниями вихретокового дефектоскопа проводят 5 измерений в статическом режиме работы вихретокового дефектоскопа с ВТП плоской рабочей поверхностью и с эффективным диаметром более 10 мм.
Были получены значения, представленные в таблице 4.
Рассчитывают среднеарифметическое значение измерений  по формуле:
max
min
Проводят вычисление (h) и (h) с учетом погрешностей вихретокового дефектоскопа с плоской рабочей поверхностью с эффективным диаметром D более 10 мм, установленных в диапазоне №5 «от 2,0 до 2,5 вкл.» по таблице 1, где (-δ)=52%; +δ=65%
Осуществляют предварительное ранжирование в соответствии с таблицей 5.
MIN
ДОП
MAX
2
Выполняется усл.3 (h<h<h), соответственно трещины относят к категории «требует уточнения», и проводят магнитопорошковую дефектоскопию дефектного участка, по результатам которой визуально идентифицируют дефектные участки, на которых расположены колонии трещин, и фиксируют плотность расположения трещин в колониях относительно друг друга. Плотность трещин в колонии составила 2 единицы на см.
Далее для уточнения глубины трещин проводят 5 измерений в статическом режиме работы вихретокового дефектоскопа с ВТП карандашного типа с эффективным диаметром D менее 3 мм. Были получены значения, приведенные в таблице 6.
Рассчитывают среднеарифметическое значение измерений  по формуле:
max
min
Проводят вычисление (h) и (h) с учетом погрешностей вихретокового дефектоскопа с ВТП карандашного типа с эффективным диаметром D менее 3 мм, установленных в диапазоне №4 «от 1,5 до 2,0 вкл.» по таблице 1, где (-δ)=46%; +δ=55%
Осуществляют дополнительное ранжирование в соответствии с таблицей 7.
MIN
доп
MAX
Выполняется усл.3 (h<h<h), соответственно трещины относят к категории «требует уточнения».
2
Для уточнения глубины трещин при том, что их плотность в колонии составила 2 единицы на см, проводят 5 измерений электропотенциальным трещиномером в точках с максимальными показаниями вихретокового дефектоскопа, оснащенного вихретоковым преобразователем карандашного типа с эффективным диаметром D менее 3 мм. Были получены значения, приведенные в таблице 8.
Рассчитывают среднеарифметическое значение измерений  по формуле:
max
min
Проводят вычисление (h) и (h) в диапазоне №3 «от 1,0 до 1,5 вкл.» с учетом погрешности электропотенциальных трещиномеров: (-δ)=35%; +δ=37%
Осуществляют контрольное ранжирование в соответствии с таблицей 9.
MIN
доп
MAX
Выполняется усл.3 (h<h<h), соответственно трещины относят к категории «требует уточнения», и дальнейшую оценку глубины трещин осуществляют методом контролируемой шлифовки.
Преимущества предлагаемого способа заключается в оптимизации технического диагностирования труб и повышении достоверности оценки глубины трещин на поверхности труб за счет комплексирования методов неразрушающего контроля. Как следствие, сокращаются затраты на контролируемую шлифовку труб при определении глубины дефектов КРН.
Достигнутый результат имеет существенное значение для оценки технического состояния крупногабаритных элементов и конструкций из ферримагнитных материалов в составе опасных производственных объектов, в частности магистральных нефтегазопроводов, для которых характерны дефектные участки с трещинами, образующихся по механизму КРН и имеющих различную морфологию развития по глубине, раскрытие и плотность расположения на поверхности труб. Кроме того, применение предлагаемого способа оценки глубины трещин на поверхности труб позволит сократить финансовые и временные затраты на техническое диагностирование при категорировании и отбраковке труб за счет снижения объемов работ по контролируемой шлифовке.