Способ диагностики и контроля качества материала трубопроводов

 

Изобретение относится к области диагностики состояния металла магистральных и промысловых трубопроводов. Повышение оперативности и надежности контроля металла трубопровода достигается за счет того, что устанавливают измерительную и регистрирующую аппаратуру, снабженную источником питания, в рабочее положение относительно трубопровода, возбуждают и принимают прошедшие через материал трубопровода импульсы ультразвуковых колебаний, первично обрабатывают и измеряют параметры последних, накапливают информацию об измеренных параметрах и впоследствии обрабатывают с помощью компьютера. Трубопровод разбивают на участки длиной 500-2000 м, на каждом из этих участков стационарно устанавливают со стороны наружной поверхности трубопровода измерительную и регистрирующую аппаратуру, снабженную источником питания. Осуществляют возбуждение импульсов с частотой колебаний ультразвукового диапазона 10⁴-10⁶ Гц и прием импульсов ультразвуковых колебаний соответственно в начале и конце каждого из упомянутых участков. Принимают прямые, прошедшие через материал трубопровода импульсы. Для каждого из участков трубопровода производят первичную обработку принятых импульсов ультразвуковых колебаний, измерение их параметров и передачу информации для последующей обработки на компьютер, который устанавливают на мобильном контрольном центре. Передачу информации осуществляют непосредственно во время проведения контроля. Накопление в памяти компьютера переданной с каждого участка во время проведения каждого контроля информации осуществляют за весь период контроля. Подачу сигнала на включение и отключение измерительной и регистрирующей аппаратуры на каждом участке трубопровода осуществляют радиотехническими методами с вертолета или самолета. О состоянии качества материала трубопровода судят по результатам совместной обработки и сравнения информации об измеренных параметрах импульсов ультразвуковых колебаний в момент текущего контроля и накопленной в памяти компьютера информации об упомянутых параметрах за весь предыдущий период контроля. В качестве источника питания и коммуникационной сети связи с мобильным контрольным центром используют служебную телефонную линию, проложенную вдоль трубопровода. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области диагностики состояния металла магистральных и промысловых трубопроводов после длительной эксплуатации в условиях потенциально опасных с точки зрения возникновения и развития трещин коррозионного растрескивания (стресс-коррозия).

К настоящему времени существует широкий спектр способов контроля металла трубопроводов, использующих ультразвуковые, рентгеноструктурные, электропотенциальные, магнитные, акустоэмиссионные методы. Все они основаны либо на необходимости доставки аппаратуры к контролируемому участку, а в случае подземного расположения трубопровода - на пробивании шурфов в земле, вскрытии изоляции, произведении работ с последующим закрытием зоны контроля, либо на установке аппаратуры внутрь трубопровода.

Все эти методы достаточно трудоемки, дорогостоящи и не позволяют выполнять контроль с частотой, достаточной для обеспечения надежной безаварийной эксплуатации [1-4].

Известен также способ дефектоскопии трубопроводов, основанный на использовании γ- или рентгеновского излучения (патент ФРГ 3834586, МПК G 01 N 23/18, G 01 N 17/00).

Главным достоинством этого способа является возможность выявления коррозионных повреждений трубопроводов в местах их контакта с опорами или хомутами подвески. Использование этого способа обеспечивает возможность получения высокоточной информации о размерах и местах расположения трещин и прогнозировать сроки безопасной эксплуатации трубопровода.

Однако наряду с достоинствами, недостатком этого способа является невозможность обеспечения оперативного проведения контроля в труднодоступных районах Сибири и Крайнего Севера, а вследствие необходимости доставки на подлежащий контролю участок трубопровода оператора и комплекса контрольно-измерительной аппаратуры, что в вышеуказанных местах расположения трубопровода возможно только в несколько летних месяцев, делает возможным контроль его состояния не чаще одного раза в год.

Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля качества металла трубопроводов, включающий установку внутрь трубопровода транспортного модуля с закрепленной на нем измерительной, контрольной и регистрирующей аппаратуры и блока питания. Перемещение установки осуществляется под действием давления перекачиваемой по трубопроводу газообразной среды. С помощью приборов, входящих в состав аппаратуры, осуществляется возбуждение импульсов УЗ колебаний, их передача через перекачиваемую среду к стенкам трубопровода; прием импульсов, прошедших через металл трубопровода и отраженных от имеющихся в нем дефектов. Приборное обеспечение установки позволяет произвести первичную обработку полученной информации и ее накопление до момента извлечения установки из анализируемого трубопровода. Последующая обработка результатов контроля осуществляется в стационарных условиях.

Для повышения достоверности результатов контроля возбуждение и прием импульсов УЗ колебаний осуществляют посредством одних и тех же акустических блоков, состоящих из совмещенных приемно-излучающих пьезопреобразователей, расположенных так, чтобы возбуждаемые импульсы УЗ колебаний направлялись под углом с разных сторон в одну и ту же сторону стенки контролируемого трубопровода (прототип - патент России 2042946, МПК G 01 N 29/04).

Недостатками данного способа являются невозможность обеспечения требуемой периодичности контроля качества материала и фактического состояния трубопроводов большой протяженности, расположенных в труднодоступных районах с суровыми климатическими условиями, а также низкая оперативность и достоверность контроля.

Необходимость размещения транспортного модуля с измерительной и регистрирующей аппаратурой внутри трубопровода трудноосуществима, особенно в зимний период, в местах с суровыми климатическими условиями. Поэтому контроль качества материала трубопровода в таких условиях также может осуществляться не чаще раза в год, лишь в летние месяцы при благоприятных погодных условиях. Кроме того, оценка состояния качества материала трубопровода возможна при условии извлечения устройства с накопленной в нем информацией из трубопровода и соответствующей обработки этой информации с помощью компьютера в стационарных условиях. Это требует значительных затрат времени, а следовательно, приводит к снижению оперативности контроля. При движении транспортного модуля с измерительной и регистрирующей аппаратурой внутри трубопровода большой протяженности имеющееся в нем большое количество продольных спиральных и поперечных сварных соединений вносит дополнительные помехи в процесс контроля, приводя тем самым к снижению его достоверности. К снижению достоверности контроля приводит также то, что в соответствии с данным способом для получения информации о состоянии качества материала трубопровода осуществляют прием и обработку отраженных от дефектов импульсов УЗ колебаний, а не прямых, прошедших через металл трубопровода, которые являются носителями максимального объема информации о фактическом состоянии.

Задача изобретения - повысить оперативность и надежность контроля металла трубопровода, обеспечить постоянный периодический контроль, частота которого может задаваться исходя из условий эксплуатации объекта и срока его службы.

Предлагаемый способ контроля качества материала трубопроводов предусматривает стационарную установку на наружной поверхности трубопровода измерительной и регистрирующей аппаратуры, снабженной источником питания. Предлагаемый способ основан на физическом эффекте внутреннего трения - способности по-разному рассеивать, т.е. изменять, энергию упругой волны в твердой кристаллической среде без дефектов и с дефектами определенных размеров и компьютерном методе распознавания образов - изменению энергии и формы сигнала при его прохождении через бездефектный и поврежденный участок.

Согласно изобретению контролируемый трубопровод разбивают на ряд участков и на каждом из них устанавливают источник питания в рабочее положение относительно трубопровода, предусматривающий с помощью средств, входящих в состав этой аппаратуры, возбуждение и прием прошедших через материал трубопровода импульсов УЗ колебаний, первичную обработку и измерение параметров последних, накопление информации об измеренных параметрах и ее последующую обработку с помощью компьютера. Подлежащий контролю трубопровод разбивают на определенные участки, на каждом из которых стационарно устанавливают со стороны наружной поверхности трубопровода измерительную и регистрирующую аппаратуру, снабженную источником питания, возбуждения и приема импульсов УЗ колебаний, который осуществляется соответственно в начале и конце каждого из упомянутых участков. При этом принимают и обрабатывают прямые прошедшие через материал трубопровода импульсы, производят их первичную обработку и передачу информации для последующей обработки на компьютер, который устанавливают на мобильном контрольном центре. Передача информации осуществляется непосредственно во время проведения контроля, что резко повышает оперативность в получении результата проводимых работ. В памяти компьютера проходит накопление результатов контроля за весь период обследования и сравнение полученного сигнала с данными предыдущих измерений. Подачу сигнала на включение и отключение измерительной и регистрирующей аппаратуры осуществляют радиотехническими средствами с мобильного контрольного центра. Погонные размеры контролируемых участков находятся в пределах от 500 до 2000 м. Мобильный контрольный центр устанавливается на борту вертолета или самолета, способного обеспечить сравнительно невысокую скорость движения вдоль контролируемого трубопровода.

Разбивка трубопровода на такие участки и стационарная установка на каждом из них со стороны наружной поверхности трубопровода измерительной и регистрирующей аппаратуры, снабженной автономным источником питания, проведенные однажды в период благоприятных погодных условий, а также возможность дистанционного включения и отключения контрольной аппаратуры и передача полученной информации от трубопровода на мобильный контрольный центр, обеспечивают в дальнейшем возможность проведения контроля качества материала трубопровода большой протяженности, расположенного в труднодоступных районах, даже при осложненных погодных условиях, с высокой оперативностью и требуемой периодичностью. Периодичность контроля зависит от состояния трубопровода в начальный момент контроля, условий его эксплуатации и фактического состояния материала трубопровода на каждом исследуемом участке. При этом обеспечивается возможность контроля качества материала не только всего трубопровода в целом, но и каждого участка в отдельности. Возбуждение и прием импульсов УЗ колебаний, прошедших через металл трубы, т.е. прямых импульсов, способствует оперативности и достоверности контроля.

На фиг. 1 приведена виброграмма бездефектного и поврежденного участков трубопровода. Записав виброграммы бездефектных участков (фиг. 1, а) в памяти компьютера-оператора и разместив приборы вдоль всего трубопровода, возможно обеспечить надежную эксплуатацию объекта.

Фиг. 1. Виброграммы бездефектного (а) и поврежденного (б) участка трубопровода: 1 - излучатель - возбудитель колебаний; 2 - система приемников колебаний.

А₁ и А₃ - амплитуды входного сигнала, передаваемого с датчика-возбудителя в металл исследуемого участка трубопровода: А₁ = А₃ = const.

А₂ - амплитуда выходного сигнала бездефектного участка трубопровода.

А₄ - амплитуда выходного сигнала участка трубопровода с коррозионно-механическими повреждениями.

ΔА= A₂-А₄ - амплитудный показатель снижения добротности участка трубопровода, определив который расчетным путем, легко получить показатель Q^-1.

При образовании коррозионно-механической трещины добротность системы резко снижается, что выражается в повышении уровня рассеивания колебательных волн и сразу отразится на виброграмме анализируемого участка трубопровода - на величинах ΔА и Q^-1 (рис. 1,б).

Передача первично обработанной информации об измеренных параметрах импульсов УЗ колебаний для каждого участка трубопровода непосредственно во время контроля для ее последующей обработки на компьютер способствует повышению оперативности контроля, так как обеспечивает возможность после соответствующей совместной обработки упомянутой информации и информации, накопленной за весь предыдущий период контроля, получить данные о фактическом состоянии трубопровода на каждом участке в момент текущего контроля и в случае обнаружения дефектов, своевременно принять меры для их устранения и прогнозировать остаточный ресурс, а также, в случае необходимости, скорректировать периодичность контроля в дальнейшем.

Выбор частоты колебаний ультразвукового диапазона (10⁴-10⁶ Гц) обусловлен тем, что при большей длине волны происходит быстрое затухание колебаний, уменьшающих длину контролируемого участка, а меньшая длина волны - гиперзвуковая (10⁹-10¹¹ Гц) значительно усложняет применяемое оборудование. Длина контролируемого участка, выбираемого в размерах от 500 до 2000 м, обусловлена тем, что при меньшей длине увеличивается количество аппаратуры и объем установочных работ, а при большей длине снижается надежность и достоверность.

Длина участка также может выбираться, исходя из сложности участка. В местах повышенной коррозионной опасности длина участка уменьшается, на безопасных - увеличивается.

Использование в качестве транспортного средства мобильного контрольного центра - вертолета или самолета, объясняется тем, что они могут использоваться в труднопроходимых местах, где невозможно использовать другие виды транспорта и, кроме того, имеют относительно небольшую скорость, при которой обеспечивается надежность своевременного включения и отключения измерительной и регистрирующей аппаратуры и приема полученной в результате контроля информации с каждого контролируемого участка трубопровода.

На фиг. 2 представлена схема размещения измерительной и регистрирующей аппаратуры на участках трубопровода и схематично изображенный мобильный контрольный центр (фиг. 3).

Трубопровод 1 разбивают на n участков длиной от 500 до 2000 м, на каждом из которых со стороны наружной поверхности трубопровода 1 устанавливают измерительную и регистрирующую аппаратуру. Аппаратура включает установленные в начале каждого участка последовательно соединенные между собой высокочастотный генератор 2 для создания УЗ колебаний, блок 3 формирования импульсов УЗ колебаний, пьезоэлектрический преобразователь 4 для возбуждения импульсов УЗ колебаний в металле трубопровода 1, а также установленные в конце каждого участка последовательно соединенные между собою пьезоэлектрический преобразователь 5 для приема прошедших через металл трубопровода 1 импульсов УЗ колебаний, прошедших через металл трубопровода импульсов УЗ колебаний, представляющие собой Q-метр 7. Упомянутые пьезоэлектрические преобразователи 4 и 5 жестко закреплены на предварительно отшлифованном до металлического блеска участке размером 0,075х0,075 м трубопровода 1. Группы вышеперечисленных элементов 2, 3, 4, установленных в начале каждого участка, и 5, 6, 7, установленных в конце каждого n-1 участка (кроме начального и конечного участков трубопровода), снабжены общим источником питания и общим приемопередающим устройством, которое состоит из приемопередающей антенны 9, размещенной в защитном корпусе (не показана), выступающей над поверхностью грунта, и радиотелефонной станции 10, которая вместе с упомянутыми элементами 2, 3 n-го участка и 6, 7 (n-1)-го участка помещена в общий для них герметичный защитный кожух, который размещен в грунте. Источник 8 питания может быть выполнен в виде аккумуляторной батареи емкостью не менее 1 А-ч и напряжением не менее 12 В.

Компьютер (не показан) для обработки информации и радиотелефонная станциия (не показана), предназначенной для подачи сигнала на включение и отключение регистрирующей аппаратуры и прием информации с контролируемых участков трубопровода, размещены на мобильном контрольном центре, в качестве транспортного средства которого используют летательный аппарат 15, представляющий собой вертолет или самолет, который снабжен подключенными к расположенной на его борту радиотелефонной станции приемной 16 и передающей 17 антеннами.

Способ контроля осуществляется следующим образом. Сначала стационарно, как было описано выше, на каждом n участке подлежащего контролю трубопровода 1 устанавливают измерительную и регистрирующую аппаратуру. Затем производят настройку этой аппаратуры на заданные амплитуду и частоту импульсов УЗ.

Предварительно измеряют параметры, а именно разность амплитуд, возбужденных в начале каждого участка импульсов УЗ колебаний и прошедших через металл трубопровода, и принятых в конце участка упомянутых импульсов, для трубопровода в бездефектном состоянии и вносят их в память компьютера, установленного на вертолете или самолете 15. Для этого, так же как и для каждого последующего контроля (в случае использования в качестве источника 8 питания измерительной и регистрирующей аппаратуры аккумуляторной батареи) летательный аппарат 15 с оператором на борту перемещается вдоль трубопровода 1 на высоте около 250 м. Оператор с помощью радиотелефонной станции набирает код номера контролируемого участка и через передающую 17 антенну летательного аппарата подает сигнал на включение соответствующей измерительной и регистрирующей аппаратуры n-го и n-1-го участков трубопровода 1. Переданный сигнал через приемопередающую антенну 9 поступает на радиотелефонную станцию 10, имеющую отдельные разночастотные каналы, один из которых предназначен для приема сигнала на включение и отключение измерительной и регистрирующей аппаратуры n-го и n-1-го участков, а другой - для передачи информации с n-1-го контролируемого участка. Далее радиотелефонная станция 10 через реле запуска (не показана) обеспечивает подачу электроэнергии от источника 8 питания аккумуляторной батареи на высокочастотный генератор 2, создающий импульсы УЗ колебаний, далее на блок 3, который формирует импульсы УЗ колебаний заданной амплитуды и частоты, например 5 МГц, и пьезоэлектрический преобразователь 4, с помощью которого благодаря тому, что он находится в контакте с наружной поверхностью трубопровода, возбуждают импульсы УЗ колебаний в металле трубопровода в начале n-го участка. Кроме того, одновременно от источника 8 питания (аккумуляторной батареи) производится подача электроэнергии и включаются в работу пьезоэлектрический преобразователь 5 для приема прошедших в металле трубопровода 1 импульсов УЗ колебаний, усилитель 6 импульсов УЗ колебаний и Q-метр 7 этого же n-1-го участка, кроме того случая, когда n-1-й участок трубопровода является его первым начальным участком. Возбуждаемые заданной амплитудой и частотой, постоянными для всех участков трубопровода, для каждого проводимого контроля в начале n-го участка с помощью пьезоэлектрического преобразователя 4, импульсы УЗ колебаний распространяются в толще металла трубопровода этого участка в продольном направлении. При этом происходит рассеяние энергии импульсов УЗ колебаний, в результате чего происходит уменьшение амплитуды упомянутых импульсов, принимаемых в конце контролируемого n-го участка. В случае снижения добротности металла трубопровода, например, образования коррозионно-механической трещины или увеличения ее размера в дальнейшем, интенсивность рассеяния энергии упомянутых импульсов значительно повышается, что приводит к еще большему уменьшению амплитуды прошедших через металл трубопровода импульсов УЗ колебаний, прием которых осуществляют в конце n-го контролируемого участка трубопровода 1 с помощью пьезоэлектрического преобразователя 5. Для этого летательный аппарат 15 перемещается от начала n-го участка к его концу. Оператор так же, как и в предыдущем случае, посредством установленной на борту 15 радиотелефонной станции набирает код номера следующего n+1-го участка и через передающую антенну 17 самолета 15 подает сигнал на включение соответствующей измерительной и регистрирующей аппаратуры n+1-го и n-го участков трубопровода. Переданный с летательного аппарата сигнал через приемно-передающую антенну 9 поступает на соответствующий частотный канал радиостанции 10 и обеспечивает, как было описано выше, включение соответствующей измерительной и регистрирующей аппаратуры, установленной в конце n-го и начале n+1-го участков. При этом с помощью установленных в конце n-го участка пьезоэлектрического преобразователя 5 осуществляют прием прямых прошедших через металл n-го участка трубопровода 1 импульсов УЗ колебаний; усилителя 6 и их первичную обработку - усиление сигнала; Q-метра 7 - измерения параметров принятых импульсов УЗ колебаний, а именно, разность амплитуд импульсов УЗ колебаний в начале и конце n-го участка. Прием прямых прошедших через металл трубопровода 1 импульсов УЗ колебаний, которые являются носителями максимального объема информации о фактическом состоянии металла трубопровода, обеспечивается за счет того, что возбуждение и прием импульсов УЗ колебаний осуществляется с помощью отдельных пьезоэлектрических преобразователей 4 и 5, установленных соответственно в начале и конце каждого участка, а также за счет правильно подобранных амплитуды и частоты возбуждаемых импульсов УЗ колебаний. После измерения параметров импульсов УЗ колебаний Q-метром 7 информацию о них непосредственно в момент контроля предают с помощью радиотелефонной станции 10 через предусмотренный в ней для этой цели отдельный частотный канал и далее через приемно-передающую антенну 9 и приемную 16 антенну летательного аппарата 15 - для последующей обработки и накопления на установленный на нем компьютер. Обработка на компьютере информацией в момент текущего контроля и ее сравнение с накопленной в памяти компьютера информации об измеренных параметрах импульсов УЗ колебаний за весь предыдущий период контроля позволяет оперативно с высокой достоверностью оценить фактическое состояние металла трубопровода и определить остаточный ресурс контролируемого участка. При обнаружении зон, опасных с точки зрения коррозионно-механических и других повреждений, частота контроля может быть увеличена с периодом, гарантирующим безопасную эксплуатацию.

Список литературы 1. Буруефф, Гале В. Способ обнаружения коррозионных повреждений в подземных трубопроводах. Пат. США 4970467, МКИ G 01 R 31/08, заявл. 27.04.89, опубл. 13.11.90.

2. Хескел Г. Способ и устройство для дефектокопии трубопроводов. Пат. ГДР 281657, МКИ G 01 N 23/02, заявл. 23.09.88, опубл. 15.08.90.

3. Спейс Бриан Р. Электромагнитный метод определения коррозии трубопроводов. Пат. США 4839593, МКИ G 01 N 27/82, заявл. 17.12.81, опубл. 13.06.83.

4. Чахлов В.Л., Лапшин Б.М., Штейн И.В. Способ акустико-эмиссионой диагностики трубопроводов. Пат. России 2057332, МКИ G 01 N 29/14, заявл. 15.07.92, опубл. 27.03.96.

Формула изобретения

1. Способ диагностики и контроля качества материала трубопроводов, включающий установку измерительной и регистрирующей аппаратуры, снабженной источником питания, в рабочее положение относительно трубопровода, предусматривающий с помощью средств, входящих в состав этой аппаратуры, возбуждение и прием прошедших через материал трубопровода импульсов ультразвуковых колебаний, первичную обработку и измерение параметров последних, накопление информации об измеренных параметрах и ее последующую обработку с помощью компьютера, отличающийся тем, что подлежащий контролю трубопровод разбивают на участки определенной длины, на каждом из этих участков стационарно устанавливают со стороны наружной поверхности трубопровода измерительную и регистрирующую аппаратуру, снабженную источником питания, возбуждение импульсов с частотой колебаний ультразвукового диапазона 10⁴ - 10⁶ Гц и прием импульсов ультразвуковых колебаний осуществляют соответственно в начале и конце каждого из упомянутых участков, при этом принимают прямые прошедшие через материал трубопровода импульсы, для каждого из участков трубопровода производят первичную обработку принятых импульсов ультразвуковых колебаний, измерение их параметров и передачу информации для последующей обработки на компьютер, который устанавливают на мобильном контрольном центре, причем передачу информации осуществляют непосредственно во время проведения контроля, накопление в памяти компьютера переданной с каждого участка во время проведения каждого контроля информации осуществляют за весь период контроля, подачу сигнала на включение и отключение измерительной и регистрирующей аппаратуры на каждом участке трубопровода осуществляют радиотехническими методами с мобильного контрольного центра, а о состоянии качества материала трубопровода судят по результатам совместной обработки и сравнения информации об измеренных параметрах импульсов ультразвуковых колебаний в момент текущего контроля и накопленной в памяти компьютера информации об упомянутых параметрах за весь предыдущий период контроля.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трубопровод разбивают на участки длиной 500-2000 м.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве транспортного средства мобильного контрольного центра используют вертолет или самолет.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве источника питания и коммуникационной сети связи с мобильным контрольным центром используют служебную телефонную линию, проложенную вдоль трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3