УДК 620.179.14
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КОЛЬЦЕВОГО СТЫКОВОГО ШВА МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕГАЗОПРОВОДА
Ю.Я. Реутов, В.Е. Лоскутов, ЮЛ. Гобое, СЛ. Ваулин
Приводятся результаты компьютерного моделирования (в программе Е1сШ) магнитного поля сварного шва ферромагнитных труб как в его теле, так и снаружи. Рассмотрены как линейный, так и нелинейный случаи намагничивания. Показано, что в нелинейном случае магнитная проницаемость и индукция в теле шва распределены по его толщине крайне неравномерно, то есть различные слои шва работают на существенно разных участках кривой намагничивания.
При магнитной внутритрубной диагностике магистральных нефтегазопроводов, находящихся в эксплуатации, приходится иметь дело с магнитным полем кольцевого поперечного сварного шва, соединяющего трубы в единое целое. Это поле является помехой для выявления дефектов в стенке газопровода и вместе с тем служит репером для привязки результатов диагностики к пути, пройденному дефектоскопом. Очевидно, что изучение поля шва — важная составляющая исследований по внутритрубной дефектоскопии.
К нефтегазопроводным относятся стальные электросварные прямо-шовные и спиральношовные трубы диаметром от 530 до 1500 мм с толщиной стенки от 8 до 25 мм. Длина трубы составляет 10^—12 м. В качестве материала для них применяются стали трубного класса 17Г1С, 19Г, 14ХГС, 14Г2САФ, а также импортные стали марок Х-70 и Х-60. В основном при монтажных и ремонтных работах на трубопроводах используется ручная электродуговая сварка стыков труб, реже полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа, а также автоматическая сварка под флюсом секций труб (двухтрубных и трехтрубных) при сварке на трубосварочных базах. В результате расплавления сварочных проволочных электродов сварной шов получает усиление как на наружной (высота валика усиления 1—3 мм, ширина 14+4 мм при толщине стенки 7—8 мм и 24±4 мм при толщине стенки 12—25 мм), так и на внутренней стороне стенки трубы (внутренний грат подварки шириной до 8—12 мм и высотой 1—3 мм).
Очевидно, что в окрестности шва образуются как геометрическая неоднородность, обусловленная наплывами металла сварочного электрода снаружи и внутри трубы (валиками), так и неоднородность магнитных свойств, обусловленная неидентичностью химического состава материала трубы и материала сварочного электрода, а также вариациями структурного состава металла в середине шва, по его границам и вдали от него (стенка трубы). Последние могут возникать из-за неизбежной термообработки металла в процессе сварки и последующего охлаждения [1]. Скорость и интенсивность нагрева и остывания различных участков шва, а также прилегающих к нему участков трубы могут быть достаточно многообразными в зависимости от азимутальной координаты, погодных условий, вида сварки (автоматическая или ручная) и квалификации сварщика.
Внутритрубный контроль осуществляется в приложенном магнитном поле, направленном вдоль продольной оси трубы. Напряженность намагничивающего поля обычно такова, что материал трубы работает в области насыщения (индукция порядка 1,5 Тл). При контроле измеряется тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля, направленная вдоль оси трубы, на расстоянии около 5 мм от поверхности ее внутренней стенки.
Расчет поля шва применительно к магнитографическому контролю осуществлен в работах [2, 3]. Однако он выполнялся без учета размагничивающего фактора шва, только для линейного случая, а поле рассчитывалось лишь непосредственно на поверхности сварного изделия, в то время как для внутритрубного контроля основной интерес представляет поле на некотором расстоянии от поверхности.
моделировании.
В предлагаемой статье излагаются результаты компьютерного моделирования магнитного поля поперечного сварного шва. Моделирование выполнялось в программе Е1сШ 4.2, распространяемой кооперативом ТОР [4]. Поскольку диаметр трубы существенно больше толщины ее стенки, задача моделировалась на плоскости (рис. 1).
ЛИНЕЙНЫЙ СЛУЧАЙ
Рассмотрим сначала линейный случай, когда проницаемости моделируемых участков газопровода не зависят от напряженности намагничивающего поля. Очевидно, что в этом случае абсолютные значения про-ницаемостей не столь существенны как их отношения в разных участках трубы. Поэтому примем проницаемость материала стенки трубы равной 100, а проницаемости материала шва будем придавать различные значения. В простейшем случае, когда проницаемость материала шва равна проницаемости материала стенки трубы, неоднородность поля вблизи шва будет определяться лишь геометрической неоднородностью участка, а именно двумя "наплывами" металла (валиками) с внутренней и внешней сторон трубы (рис. 2).
24
Рис. 2. Упрощенная модель сварного шва для случая идентичности магнитных свойств материалов шва и трубы (линейный случай).
Т®®Т
16
В таком случае условия прохождения намагничивающего поля по стенке в месте утолщения улучшаются (рис. 3) и должен появиться про-
вал в магнитной индукции тангенциальной компоненты поля вблизи поверхности стенки трубы. Именно такой график тангенциальной компоненты поля вдоль длины трубы и получается в результате моделирования (рис. 4). На рис. 4 (кривая 1) показана рассчитанная индукция поля шва в 5 мм от поверхности внутренней стенки трубы в зависимости от продольной координаты (вдоль оси трубы). На всех последующих рисунках, если не оговорено другое, поле рассеяния шва показано на расстоянии 5 мм от внутренней стенки трубы. Проницаемость материала трубы принята равной 100, индукция в ее стенке составляет около 1,5 Тл.
Рис. 3. Картина искривления линий индукции вблизи сварного шва.
Как видно из рис. 4, амплитуда изменения поля из-за наличия валиков усиления шва составляет около 12 % индукции намагничивающего поля. Кривая 2 на рис. 4 изображает топографию поля шва, имеющего только внешний, а кривая 3 — только внутренний валик. Как и следовало ожидать, основной вклад в амплитуду поля шва вносит ближний к месту измерения внутренний валик, хотя его размеры обычно гораздо меньше размеров внешнего валика. Видно также, что поле, обусловленное внутренним валиком, более локально по сравнению с полем внешнего валика. Между тем именно размеры внутреннего валика (в основном его ширина) могут существенно различаться от шва к шву (и по окружности шва) из-за неточности обработки торцов стыков и их пространственного совмещения при сварке.
Рис. 4. Топография продольной компоненты поля вблизи сварного шва по рис. 1 и 2 в 5 мм от внутренней поверхности трубы. Проницаемость трубы и шва равна 100. Линейный случай:
1 — поле от шва в целом; 2 — поле при наличии только верхнего наплыва; 3 — поле при наличии только нижнего наплыва.
На рис. 5 рассчитана топография шва с шириной внутреннего валика, равной 7 мм вместо четырех. Видно, что амплитуда поля шва увеличи-
лась с 12 до 17 % от индукции намагничивающего поля в соответствии с ростом вклада внутреннего валика. Таким образом, можно ожидать, что амплитуда поля шва будет меняться от стыка к стыку из-за технологического разброса ширины внутреннего валика.
В, мТл 15
14
13
12
11
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 X, мм
Рис. 5. То же, что и на рис. 4, но внутренний валик шва имеет ширину 7 мм при высоте 2 мм.
Изменение проницаемости материала стенки трубы, если оно синхронно с изменением проницаемости материала шва, не изменяет амплитуды относительного изменения индукции поля шва. На рис. 6 приведена расчетная топография поля шва, соответствующего рис. 3, при проницаемости материала трубы и шва, равной 500. Для получения индукции в стенке трубы, близкой к 1,5 Тл, теперь достаточно намагничивающего поля индукцией 3 мТл, однако амплитуда его относительного изменения вблизи шва составляет те же 12 %, как и для случая с проницаемостью 100 (см. рис. 4). Видно также, что поле внешнего валика не экранируется стенкой трубы.
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 X, мм
Рис. 6. То же, что и на рис. 4, но труба и шов имеют проницаемость 500.
Таким образом, в случае равенства магнитных проницаемостей материалов стенки трубы и сварного шва и их независимости от намагничивающего поля амплитуда поля рассеяния шва определяется лишь его геометрией и сохраняет свое относительное значение при вариациях индукции намагничивающего поля.
Перейдем теперь к рассмотрению случая неравенства проницаемос-тей материала стенки трубы и материала шва. Очевидно, что в таком случае кроме геометрической неоднородности будет сказываться и неоднородность магнитных свойств компонент шва.
Рис. 7. Топография продольной компоненты поля вблизи сварного шва по рис. 1 в 5 мм от внутренней поверхности трубы. Линейный случай. Проницаемость материала трубы равна 100:
/ — проницаемость материала шва равна 100; 2—5 — проницаемости материала шва 75,50,150 и 200 соответственно.
На рис. 7 приведена расчетная топография поля шва, изображенного на рис. 1, при разных значениях магнитной проницаемости материала шва. Проницаемость материала трубы при этом составляла 100. Как и следовало ожидать, поле шва, имеющего проницаемость материала такую же или большую, чем у материала стенки, претерпевает спад по сравнению с ровным участком (кривые 1,4 и 5). Шов с проницаемостью, меньшей, чем у трубы, обусловливает подъем тангенциальной компоненты поля, имитируя наличие нарушения сплошности (кривые 2 и 3). Из рисунка видно, что чем больше относительное различие проницаемостей шва и стенки трубы, тем больше амплитуда сигнала от поля шва.
Материал Начальная проницаемость Максимальная проницаемость Поле, при котором достигается максимальная проницаемость, А/м
1 2 200 110 490 390 1200 1400
Отдельно остановимся на поле внутреннего валика. При распространении намагничивающего поля вдоль поверхности внутренней стенки трубы появление внутреннего валика существенно уменьшает магнитное сопротивление линиям индукции и они втягиваются в валик. По этой причине на всех кривых рис. 7 наблюдаются локальные "язычки" спада тангенциальной компоненты индукции поля независимо от соотношения проницаемостей материалов трубы и шва. Зависимости, аналогичные изображенным на рис. 7, были получены и для сл
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.