Трубопроводный транспорт лидирует по объему грузопотоков, в 100 раз превосходя по этому показателю остальные виды транспорта. Насколько надежна трубопроводная инфраструктура России?
В значительной части трубопроводы изношены, их сеть нуждается в реконструкции. Ремонтно-восстановительные мероприятия согласно программам надежности должны планироваться по реальному состоянию металла, но на практике дело ограничивается лишь обследованием косвенных характеристик состояния изоляционного покрытия и эффективности активной противокоррозионной защиты.
Обследование состояния металла на всем протяжении объектов вплоть до последнего времени было возможно только с применением внутритрубного диагностирования.
Однако более миллиона километров российских трубопроводов не готовы к ВТД (внутритрубному диагностированию). Только более 20% - главным образом, газовые и нефтяные магистрали - позволяют провести обследование металла (Рис. 1).
Таким образом, для подавляющего большинства объектов: промысловых, распределительных, технологических, муниципальных трубопроводов применение внутритрубного диагностирования невозможно или нецелесообразно. Металл подобных трубопроводов (Non-piggable&Difficult) контролируется выборочно, причем объем этого контроля (по доле от общей протяженности объекта) обычно не более 2%, что связано с высокой стоимостью шурфований для доступа к поверхности металла и, как следствие, значительными трудозатратами прямого контроля внешней и внутренней коррозии (ECDA\ICDA program).
Диагностический сервис в этом сегменте трубопроводной отрасли остро нуждается в инновационных технологических решениях по контролю металла, что позволит обосновать объемы и сроки реконструкции инфраструктуры, поскольку промедление угрожает нарастанием техногенных катастроф и потерь вследствие возрастающей аварийности.
Причем рынок этот стремительно растет. Из опубликованных данных Фила Хопкинса (Международный институт нефтегазовых технологий) следует, что трубопроводная инфраструктура мира увеличилась по протяженности почти в 100 раз примерно за 50 лет.
Подсчитано, что увеличение совокупной длины мировых сетей может составлять до 7% в год в течение следующих 15 лет. Как ожидается, в мире будет построены 32 000 км новых трубопроводов. Общая протяженность магистральных трубопроводов высокого давления по всему миру увеличится по оценкам на 3 500 000 км. Из них 64% будут составлять системы для транспортировки газа, 19% - для перекачки нефтепродуктов, и 17% - для перевозки сырой нефти. Причем доля морских трубопроводов в Северо-Западной Европе, Азиатско-Тихоокеанском регионе и в Мексиканском заливе будет увеличиваться в год на 8 000 км.
Как показывают многочисленные аварии «non-pigabble & difficult» трубопроводов, их контроль и обеспечение безопасности является весьма актуальной проблемой для всего мира. В последнее десятилетие инновационными техническими предложениями для контроля металла подобных объектов на всем протяжении явились магнитные методы, в первую очередь благодаря российским разработкам. Кроме того, прошла успешную апробацию и внедрение технология длинноволнового ультразвукового контроля.
Настоящая публикация посвящена краткому описанию метода магнитной томографии (проводимого компанией «Транскор-К»), подтвердившего свою конкурентоспособность на мировом рынке: за 12 лет после согласования российского норматива РД 102-008-2002 (АО ВНИИСТ) с применением запатентованных в России, США, Канаде и Европе устройств и магнитной томографии было обследовано более 17 000 км в 25 странах мира.
Физические основы магнитной томографии базируются на фундаментальном открытии обратной магнитострикции - эффекте Виллари, связывающем механические напряжения и магнитные характеристики ферромагнитных объектов.
Графически принцип регистрации механических напряжений по измеренным характеристикам магнитного поля протяженной ферромагнитной конструкции отражен на Рис. 2, ход полевого сканирования показан на фото (Рис. 3).
Основными гарантиями магнитной томографии являются декларируемые показатели качества - вероятность выявления аномалий напряжений, сопряженных как с дефектами металла любых типов, так и с повышенными нагрузками, обусловленными провисами, прогибами, участками общей или местной потери трубопроводом устойчивости на грунтах со слабой несущей способностью, оползневыми или сейсмическими явлениями (POD), кроме того, вероятность правильной интерпретации степени опасности аномалий (POI) по величине характеристического параметра - F.
Основным ограничением метода является расстояние от оборудования магнитной томографии до оси удаленного (подземного или подводного объекта), которое не должно превышать 15 диаметров трубы.
Метод магнитной томографии обладает высокой чувствительностью - в интервале механических напряжений от 30 до 85% SMYS выявляется не менее 80% аномалий, обусловленных дефектами металла любых типов. Выявляются дефекты как основного металла (потеря металла по причине внешней или внутренней коррозии, эрозии; трещиноподобные дефекты любой ориентации, включая КРН, механические дефекты и изменения геометрии труб), так и дефекты сварных соединений любой природы, а также участки с повышенными нагрузками - в сейсмоактивных зонах, в условиях вечной мерзлоты, с оползневыми явлениями и т.п. При этом селективность метода в целом невысока и относительно природы дефектов можно лишь строить прогнозы, что не снижает перспектив применения магнитной томографии в качестве инструмента регистрации реальных механических напряжений. Ранжирование участков трубопровода с дефектами по категориям технического состояния позволяет обосновать вывод их в ремонт или реконструкцию путем замены.
Общепринятая оценка риска эксплуатации объектов с дефектами металла базируется на расчетах прочности, трещиностойкости, механики разрушения и т.п. расчетах локальных напряжений в дефектных областях по геометрическим размерам дефектов. Поскольку метод магнитной томографии позволяет непосредственно регистрировать механические напряжения в условиях эксплуатации, что важно, например, для подводных трубопроводов, условий слабой несущей способности грунтов (зоны вечной мерзлоты), повышенной сейсмоактивности, где возможны разрушения трубопроводов по причине потери устойчивости, программы управлению надежностью можно строить на основе данных МТМ без необходимости расчетов геометрических размеров отдельных дефектов.
С 2012 года после победы на конкурсе инновационных технологий «Arctic Technology» (Хьюстон, США) начато успешное применение совместной российско-малайской разработки с национальной компанией PETRONAS-модификации AQUA MTM®. В Малайзии, Индонезии и ОАЭ обследовано уже более 300 км объектов шельфа.
Технология AQUA MTM® в перспективе будет востребована для повышения надежности таких экспортных магистралей, как российские подводные «Потоки», а также многочисленные трубопроводы шельфовой добычи нефти и газа, протяженность которого увеличивается.
Для установления степени корреляции данных магнитной томографии с результатами вычислений по принятым методикам было проведено сравнение итоговых показателей (параметров работоспособности) в аномальных зонах с различными типами дефектов. Подобные широкомасштабные проекты были осуществлены на специальных натурных полигонах НТЦ «Транскор-К»\ВНИИСТ и PETRONAS (Малайзия). Для детального выяснения причин, обуславливающих появления аномалий магнитной томографии, была проведена серия экспериментов по регистрации напряжений в ходе ступенчатого нагружения плетей сварного трубопровода протяженностью 40-109 м с искусственными дефектами металла.
Помимо выявления аномалий была проведена тензометрия на участках с дефектами, металлографическая экспертиза и численный анализ методом конечных элементов. Максимальные из приложенных напряжений в области некоторых аномалии превысили предел текучести материала труб. В данных областях при повышении внутреннего давления переход в область пластической деформации показали также и тензорезисторы.
Компьютерное моделирование напряженного состояния трубопровода численными методами (методом конечных элементов), выполненное в лаборатории механики Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета, полностью подтвердило как данные тензометрии, так и данные магнитной томографии. На Рис. 8 показаны области магнитных аномалий, где серый цвет соответствует максимальной концентрации напряжений и областям пластической деформации.
Для полноты экспериментальных данных было проведено металлографическое исследование образцов, отобранных от областей аномалий действующих трубопроводов. Было зарегистрировано отклонения в микроструктуре, практически не выявляемое при традиционном неразрушающим контроле (Рис. 8). Выявлена не только пластическая деформация, но и зародившиеся в результате внутренние микротрещины (Рис. 5) Поверхности микротрещин в рентгенографической интерпретации представляли собой результат сочетания высоких напряжений (416 МПа) и высокой плотности дислокаций (2,3х109см -2).
Полученные данные о взаимозависимости магнитных величин с механическими напряжениями в условиях полигона отражены на Рис. 9. Подтверждается весьма высокая корреляция изменений магнитной индукции с ростом кольцевых напряжений в металле труб - показаны уравнения линейных аппроксимаций и среднеквадратичное отклонение.
Проведенные металлографические исследования и рентгеноструктурный анализ подтвердили выявленные закономерности изменения структуры в локальных зонах концентрации напряжений в областях аномалий магнитной томографии как в условиях полигона, так и для металла, отобранного от действующего трубопровода.
По результатам экспериментов на полигоне Малазийской нефтяной компании ПЕТРОНАС разработаны и переданы на рассмотрение в ASME дополнения к своду законов нормативной документации по безопасности трубопроводного транспорта Американского Общества Инженеров-Механиков.
Результаты 12-летних исследований и база данных по полевым работам были использованы при разработке национальных стандартов, регламентирующих термины и определения, а также общие положения метода магнитной томографии. Полномасштабные программы по верификации проведены в США, Великобритании, а также регионе АСЕАН.
С целью валидизации качества инспектирования магнитной томографии разработана специальная «Процедура верификации», включенная в качестве рекомендуемого предложения в проекты национальных стандартов (ГОСТ) «Техническое диагностирование методом магнитной томографии» (размещены к обсуждению на портале РОССТАНДАРТ).
