Акустические методы
УДК 620.179.16
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
Н.П. Алешин, Ю.Л. Гобов, А.В. Михайлов, Я.Г. Смородинский, М.М. Сыркин
Рассмотрено устройство и принцип работы некоторых у.з. сканеров-дефектоскопов для диагностики основной массы металла магистральных нефте- и газопроводов при проведении переизоляции. Обсуждаются различные методы, средства и устройства для эффективного возбуждения и приема у.з. волн в трубах с толщиной стенки от 6 до 20 мм, выбор мод волн Лэмба и Рэлея для контроля в зависимости от толщины стенки трубы, описан принцип работы однонаправленного первичного ЭМА-преобразователя.
Ключевые слова: ультразвук, неразрушающий контроль, электромагнитно-акустическое преобразование, поверхностные волны Рэлея.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время протяженность магистральных нефте- и газопроводов составляет около 220 тыс. км. Техническое состояние сети нефте- и газопроводов необходимо постоянно поддерживать на высоком уровне, так как стоимость устранения аварии только на одном газопроводе составляет примерно 17 млн рублей. Около 50 % всех трубопроводов находятся в эксплуатации более 20 лет, а это значит, что вероятность прорыва трубы возрастает с каждым днем.
Для предотвращения возможных аварий необходима высокоэффективная диагностика целостности трубы и качества сварных швов. Из большого многообразия наружных средств диагностики наиболее эффективными оказались автоматизированные сканеры-дефектоскопы, разработанные в М1ТУ им. Баумана [1].
Сканер-дефектоскоп "Автокон-МГТУ" (рис. 1а) предназначен для у.з. контроля (УЗК) качества сварных соединений (кольцевых и продольных стыков) и основного металла труб диаметром 530—1420 мм с толщиной стенки 5—25 мм.
а б
Рис. 1. Внешний вид контактного сканера-дефектоскопа "Автокон-МГТУ" (а) и бесконтактных сканеров-дефектоскопов "Автокон-ЭМА-МГТУ" и "Автокон-ЭМА-МГТУ-2" (б).
Николай Павлович Алешин, заведующий кафедрой ФГАУ НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана. Тел. (499) 2636802. E-mail: aleshin@bmstu.ru
Юрий Леонидович Гобов, ведущий научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 3783885. E-mail: go@imp.uran.ru
Алексей Вадимович Михайлов, младший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 3783885.
Яков Гаврилович Смородинский, заведующий отделом Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 3744490. E-mail: sm@imp.uran.ru
Михаил Михайлович Сыркин, заведующий лабораторией ФГАУ НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана. Тел. (499) 2676942. E-mail: msyrkin@ya.ru
К недостаткам этого сканера можно отнести необходимость в контактной жидкости, а также невозможность контроля экстремально холодных и горячих изделий. Кроме того, подготовка поверхности для контактного УЗК требует значительных материальных и временных затрат, что невозможно в полевых условиях при проведении переизоляции трубопроводов. Некачественная подготовка контролируемой поверхности труб магистральных нефте- и газопроводов может снизить достоверность УЗК. Этих недостатков можно избежать, если использовать для возбуждения и приема у.з. волн в металлах бесконтактный электромагнитно-акустический (ЭМА) способ. Основным недостатком ЭМА-способа возбуждения и приема ультразвука в металлах считается его малая чувствительность по сравнению с контактным УЗК [2]. Тем не менее с помощью современных электронных компонентов, современных высокоэнергетичных постоянных магнитов КЬБеБ, а также за счет использования методов численного моделирования для оптимизации поляризующих систем, чувствительность ЭМА-метода приблизилась к чувствительности контактного УЗК [3, 4]. Другим важным параметром для эффективного ЭМА-преобразования, хотя его и называют бесконтактным, является зазор между первичным ЭМА-преобразователем (катушкой излучения или приема) и поверхностью объекта контроля. Поэтому для такого способа контроля также необходима зачистка поверхности объекта контроля для минимизации зазора, но не такая основательная, как для контактного метода контроля.
На смену контактному сканеру пришел бесконтактный ЭМА-сканер-дефектоскоп "Автокон-ЭМА-МГТУ" [5] (рис. 1б), разработанный в МГТУ им. Баумана совместно с ИФМ УрО РАН и ЗАО НПО ИНТРОТЕСТ.
Сканер предназначен для УЗК основного металла и продольных сварных швов магистрального газопровода с толщиной стенок от 6 до 12 мм на наличие дефектов типа "нарушение сплошности или однородности материала". Конструкция привода и системы слежения за швом прибора "Автокон-ЭМА-МГТУ" позволяет ему передвигаться как вдоль продольного сварного шва с автоматическим слежением (при этом достигается максимальная выявляе-мость дефектов во всем объеме трубы газопровода), так и по произвольной траектории при углах до 20° относительно продольного шва. Это существенно упрощает установку и снятие прибора с поверхности трубы без применения лестниц-стремянок и подъемных устройств, а главное, значительно повышает безопасность работы. Прибор устанавливают на доступный участок тела трубы, затем с помощью управления по радиоканалу выводят на траекторию контроля.
В основу работы сканера заложен принцип ввода у.з. волны в тело объекта контроля с помощью ЭМА-преобразователя через зазор (рис. 2а). Излучающий ЭМА-преобразователь возбуждает акустические колебания, которые распространяются по стенке трубы, отражаются от дефектов и продольных сварных швов и регистрируются принимающим ЭМА-преобразователем. Полученный сигнал усиливается, фильтруется и преобразуется в А-скан (рис. 2б). При перемещении ЭМА-преобразователей вдоль трубы (по образующей линии цилиндрической поверхности) полученный массив А-сканов можно объединить в С-скан (рис. 2в). Таким образом, можно проконтролировать весь основной металл магистрального газопровода всего за один проход сканера вдоль трубы.
Проведенные испытания сканера-дефектоскопа "Автокон-ЭМА-МГТУ" показали его высокую эффективность на трубах с толщиной стенки от 6 до 12 мм вследствие применения в нем намагничивающей системы ЭМА-преобразователя в виде колесной пары [6], создающей тангенциальное намагничивание, по отношению к наружной поверхности трубопровода. В то же время для прокладки магистральных трубопроводов зачастую применяются трубы с толщиной стенки, достигающей 20 мм и более, поэто-
му следующим шагом стала разработка модернизированного ЭМА-сканера-дефектоскопа, способного работать эффективно во всем диапазоне толщин стенок магистральных нефте- и газопроводов.
Рис. 2. Принципиальная схема работы ЭМА-сканера-дефектоскопа (а); пример А-скана (б) и С-скан (в), полученный за один проход ЭМА-сканера-дефектоскопа вдоль трубы с искусственными дефектами типа "пропил".
Результатом разработки служит автоматизированный бесконтактный ЭМА-сканер-дефектоскоп "Автокон-ЭМА-МГТУ-2", разработанный в МГТУ им. Баумана совместно с ИФМ УрО РАН и ЗАО НПО ИНТРОТЕСТ.
Внешний вид данного сканера аналогичен внешнему виду его предшественника (см. рис. 1б). Основными его отличиями являются: новая намагничивающая система с нормальным по отношению к поверхности трубопровода поляризующим полем, увеличенная мощность генератора зондирующих импульсов и использование волн Рэлея вместо волн Лэмба.
ПРИНЦИП БЕСКОНТАКТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Электромагнитно-акустическое преобразование есть частичное превращение энергии электромагнитных колебаний в энергию акустических колебаний. Прямым ЭМА-преобразованием, как правило, называют преобразование электромагнитных волн в акустические, преобразование акустических волн в электромагнитные — обратным ЭМА-преобразованием.
При возбуждении акустических волн с помощью ЭМА-преобразования возможны два механизма: магнитострикционный (рис. 3а) и электродинамический (рис. 3в). Эффективность того или иного механизма обусловлена выбором постоянного поляризующего магнитного поля. В частности, для магнито-стрикционного механизма необходимо тангенциальное к поверхности ферромагнитного объекта подмагничивающее поле, для электродинамического механизма, в свою очередь, к ферромагнетику необходимо приложить нормальное (ортогональное к поверхности объекта контроля) подмагничивающее поле.
Магнитострикционное ЭМА-преобразование использует явление самопроизвольной деформации кристалла при изменении магнитного порядка или вектора намагниченности. Магнитострикционный эффект явля-
ется обратимым, поэтому при удалении намагничивающего поля состояние материала ферромагнетика возвращается к исходному. Катушка, находящаяся вблизи поверхности ферромагнитного объекта контроля, создает высокочастотное электромагнитное поле, которое, в свою очередь, создает локальные растяжения и сжатия ферромагнитного материала, вызывая тем самым образование акустических колебаний в этом материале. В ЭМАП на магнитострикции подмагничивающее поле усиливает и направляет напряжения в стенке трубы.
Магнитострикционный механизм использован в сканере-дефектоскопе "Автокон-ЭМА-МГТУ". Роль намагничивающей системы играет колесная пара, создающая тангенциальное по отношению к поверхности трубы постоянное магнитное поле (рис. 3б). Первичные излучающие и приемные ЭМА-преобразователи представляют собой катушки в форме меандра и располагаются между колесами намагничивающей системы.
Рис. 3. Механизмы ЭМА-преобразования и схемы сканеров-дефектоскопов:
а — ЭМА-преобразование, основанное на эффекте магнитострикции; б — принципиальная схема сканера-дефектоскопа "Автокон-ЭМА-МГТУ"; в — ЭМА-преобразование, основанное на электродинамическом
механизме; г — принципиальная схема сканера-дефектоскопа "Автокон-ЭМА-МГТУ-2". 1 — поляризующий магнит; 2 — стенка трубы газопровода; 3 — катушка в форме меандра для возбуждения/ приема у.з. волн; 4 — направление поляризующего поля; 5 — переменное магнитное поле, вызываемое катушкой 3; 6 — полюса магнита в виде колесной пары.
Если рассматривать другой механизм ЭМА-преобразования (см. рис. 3е). то можно описать его следующим образом: катушка наводит в ферромагнетике вихревые токи, которые взаимодействуют с ортогональным к поверхности ферромагнетика подмагничивающим полем. Под действием сил Лоренца в м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.