СПОСОБ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПО ОСТАТОЧНОМУ МАГНИТНОМУ ПОЛЮ
METHOD OF MONITORING TECHNICAL STATE OF UNDERGROUND PIPELINES FROM RESIDUAL MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к технической диагностике и может быть использовано в неразрушающем контроле для мониторинга технического состояния стальных подземных газонефтепроводов.
Известен способ внутритрубной магнитной диагностики (Абакумов А.А., Абакумов А.А. (мл.). Магнитная диагностика газонефтепроводов. М.: Энергоатомиздат, 2001. С. 386-403), который заключается в пропуске по трубопроводу инспекционных снарядов, состоящих из намагничивающего устройства и измерительного блока. Трубопровод намагничивается до насыщения с помощью постоянных магнитов или электромагнитов и измеряется поле утечки между полюсами магнитов при уменьшении толщины стенки трубы.
Недостатками данного способа являются большие габариты снарядов, содержащих одновременно намагничивающее и измерительное устройство, что существенно затрудняет диагностику трубопроводов малого диаметра и сложной формы (например, распределительных газопроводов с тепловыми компенсаторами), и наличие сильных магнитов в конструкции, что затрудняет перемещение дефектоскопа при малом давлении газа (давление в распределительных трубопроводах обычно не превышает 0,6 МПа.
Известен способ «Метод анализа магнитного поля и аппарат для определения стресс-характеристик в трубопроводе» (патент US №5532587, опубл. 16.12.1991 г.), метод включает прохождение снаряда сквозь трубопровод, в то время как он электромагнитно связан датчиками с внутренней поверхностью трубопровода. В процессе прохода сигналы изменяются в зависимости от локальной магнитной проницаемости стенок трубы и соответствующие им коррелированные данные генерируются и записываются. После прохода коррелированные данные используются, чтобы связать сигналы с местами локальных напряжений в стенках.
Недостатками метода являются невозможность определения направления механических напряжений в металле трубопровода из-за отсутствия трехкомпонентного измерения магнитного поля, а также ограниченная разрешающая способность из-за удаленности датчиков от поверхности трубопровода.
Известны способ и устройство для обнаружения и оценки механического повреждения в трубопроводах, использующие нелинейные гармонические методы (патент US №6239593, опубл. 21.09.1998 г.). Данный способ использует нелинейные гармонические методы для обнаружения механических повреждений в трубопроводах. Магнитные свойства трубопровода определяются на основании измерения магнитного поля, зависящего от времени. Амплитуды нечетных гармонических составляющих связаны с магнитным состоянием контролируемого материала, что позволяет определить области механического повреждения. Эта методика может использоваться для быстро обнаружения областей напряжения в тех трубопроводах, где устройства с нелинейными гармоническими сенсорами установлены на снаряде, перемещающемся сквозь трубопровод с относительно высокой скоростью.
Недостатками способа являются сложность проведения дефектоскопии сетей распределительных газопроводов в связи с недостаточным давлением газа для перемещения дефектоскопа, снабженного намагничивающим устройством, с необходимой для сканирования скоростью, а также низкая чувствительность к напряженным состояниям и дефектам малых размеров из-за наличия намагничивающего поля, намного превышающего по амплитуде сигнал коррозионных нарушений.
Известны способ и аппарат для обнаружения дефектов внутри трубы (патент JP №3118465, опубл. 21.05.1991 г.). В данном изобретении ставится цель повышения точности обнаружения дефектов внутри трубы путем размещения длинного ярма концентрично в трубе, кольцевого постоянного магнита, который окружает ярмо и установлен около внутренней поверхности трубы и множества катушек, которые размещены по периферии трубы. Постоянный магнит окружает ярмо и имеет одинаковую полярность на одной и той стороне. Множество катушек размещено по периферийной стороне трубы. Основная часть, имеющая постоянный магнит и катушки, помещена в корпус. Когда этот аппарат проходит доброкачественную часть трубы, труба намагничена магнитом приблизительно до насыщения. Когда аппарат проходит дефектную часть, изменения магнитного потока рассеяния пропорциональны уменьшению площади поперечного сечения трубы. Таким образом, глубина дефектного участка может быть точно определена.
Недостатки данного способа заключаются в невозможности определения напряженных состояний при намагничивании трубопровода до состояния магнитного насыщения, а также затруднения при перемещении аппарата внутри распределительных газопроводов.
Известен способ и устройство для внутритрубной магнитной дефектоскопии стальных трубопроводов - внутритрубный интроскоп МИ-31 ООО «ИНТРОСКО» и ООО «ИНТРОН ПЛЮС» (Абакумов А.А., Абакумов А.А. (мл.). Магнитная диагностика газонефтепроводов. М.: Энергоатомиздат, 2001), принятый за прототип. Способ осуществляется при намагничивании внутренней поверхности трубопроводов до насыщения постоянными магнитами или электромагнитами, между полюсами которых находятся многоэлементные преобразователи магнитных полей. Электромеханическое сканирование осуществляется с помощью линейного преобразователя магнитных полей, выполненного в виде линейки из одиночных преобразователей, образующих строку кадра. Развертка по строке такой линейки происходит с помощью коммутатора путем синхронного подключения отдельных магниточувствительных элементов к видеоконтрольному устройству. Развертка по второй по ординате осуществляется за счет механического перемещения линейного преобразователя относительно трубы. Внутритрубный магнитный интроскоп осуществляет сканирование магнитного рельефа, возникающего под действием полей рассеяния от дефектов стенки трубопровода, перемещаясь под действием потока воды или с помощью троса и лебедки.
Недостатком является невозможность определения напряженных состояний в металле трубопровода. Намагничивание до насыщения приводит к исчезновению слабых магнитных полей, которые возникают под воздействием напряженных состояний. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Техническим результатом является разработка способа для внутритрубного выявления дефектов и напряженных состояний подземных металлических трубопроводов, позволяющее выявить слабые места трубопровода и предотвратить его разрушение.
Технический результат достигается тем, что трубопровод предварительно намагничивают источником постоянного магнитного поля, размещенным внутри трубопровода, до величины остаточной намагниченности от 0,1 до 0,8 поля насыщения, измеряют магниторезистивным или феррозондовым датчиком три взаимно перпендикулярные компоненты индукции магнитного поля по меньшей мере в одной точке по образующей внутри трубопровода, затем измерения магнитной индукции проводят с периодичностью по меньшей мере от 1 до 4 раз в год, сопоставляют полученные результаты и на основании изменения магнитного поля каверн и напряженного состояния трубопровода прогнозируют его техническое состояние в определенный момент времени.
Способ мониторинга технического состояния подземных трубопроводов по остаточному магнитному полю поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - расположение осей относительно трубы;
фиг. 2 - распределение х компоненты магнитной индукции по длине трубы;
фиг. 3 - распределение у компоненты магнитной индукции по длине трубы;
фиг. 4 - распределение z компоненты магнитной индукции по длине трубы;
фиг. 5 - распределение х компоненты магнитной индукции по длине трубы;
фиг. 6 - распределение у компоненты магнитной индукции по длине трубы;
фиг. 7 - распределение z компоненты магнитной индукции по длине трубы;
фиг. 8 - зависимость магнитной индукции от приложенной нагрузки к трубе.
Способ осуществляют следующим образом.
Сначала трубопровод предварительно намагничивают до величины 0,1-0,8 поля насыщения с помощью постоянных магнитов или электромагнитов, размещенных внутри трубопровода. После этого измеряют три взаимно перпендикулярные компоненты магнитного поля по меньшей мере в одной точке по образующей внутри трубопровода с помощью феррозондовых или магниторезистивных датчиков. Через 3-12 месяцев после естественного частичного размагничивания проводят повторные измерения магнитного поля, сопоставляют полученные результаты, оценивают остаточный ресурс трубопровода и прогнозируют его техническое состояние в определенный момент времени.
Предлагаемый способ был апробирован в лабораторных условиях на стальной трубе (D=60 мм, δ=5 мм, l=3 м). В середине трубы был смоделирован дефект в виде накладки из того же материала размерами 30×6×55 мм. Труба была предварительно намагничена до состояния магнитного насыщения (J=Jнас) при помощи импульсного магнитного излучателя И100-30 (impulsnyj-magnitnyj-izluchatel). Затем переворачивали трубу на 180° и в том же устройстве постепенно размагничивали слабыми магнитными импульсами, моделируя естественное размагничивание с течением времени. После каждого размагничивания проводились измерения трех взаимно перпендикулярных компонент магнитной индукции, направление которых указано на фиг. 1. Результаты измерений представлены на фиг. 2, фиг. 3, фиг 4.
Как видно из графиков, оптимальной степенью намагниченности является величина не меньше 0,1 Jнас. Однако при намагничивании до насыщения напряженные состояния и мелкие дефекты плохо проявляются. Поэтому оптимальным для нового способа мониторинга технического состояния нефтегазопроводов будет являться намагничивание до величины 0,1-0,8 магнитного насыщения.
Также были проведены эксперименты с нагружением той же трубы, намагниченной до величины 0,5 поля насыщения. Сначала трубу располагали так, чтобы она находилась в ненагруженном состоянии, без провисания. Затем концы трубы располагали на опорах, при этом нагрузка, приходящаяся на трубу, была равна весу самой трубы 24 кг. После этого к середине трубы подвешивали немагнитный груз весом 10 и 20 кг. Полученные результаты можно видеть на фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7.
Для прогноза технического состояния трубопровода в определенный момент времени построим график зависимости разности максимального значения магнитной индукции и значения магнитной индукции в середине трубы от нагрузки, действующей на трубу, фиг. 8. При продлении линии графика можно увидеть вероятное значение нагрузки в заданный момент времени.
Как видно из графиков, намагничивание трубопровода до величины 0,1-0,8 поля насыщения позволяет выявлять не только дефекты металла, но и напряженные состояния, возникающие в теле трубопровода.
Преимущество изобретения состоит в том, что данный способ с намагничиванием в диапазоне 0,1-0,8 поля насыщения позволяет определять не только нарушения сплошности материала трубопровода, но и напряженные состояния, возникающие при эксплуатации, а также их направление благодаря трехкомпонентному измерению индукции магнитного поля. Разделение операций намагничивания и измерения магнитного поля, а также намагничивание не до насыщения позволяют снизить габаритные размеры и вес прибора, что позволяет без затруднений проводить диагностику трубопроводов малого диаметра и сложной формы.