В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем нефтяного и газового хозяйства является неразрушающий контроль трубопроводов. Очевидно, что их многолетняя эксплуатация в условиях высоких и низких температур, под воздействием всевозможных природных и климатических явлений, химических влияний и других агрессий не может не сопровождаться локальными или протяженными разрушениями. В результате фирмы несут громадные убытки, зачастую наносится невосполнимый ущерб самому ареалу проживания человека.
Вместе с тем современное состояние средств неразрушающего контроля трубопроводов является неудовлетворительным. В самом деле, наиболее прогрессивными приборами НК трубопроводов сейчас являются устройства, снабженные десятками ультразвуковых датчиков, которые перемещаются вместе с жидкостью внутри трубопровода и изнутри облучают его поверхность, воспринимают и хранят информацию. Однако такие устройства применяются только в трубопроводах, предназначенных для перекачки жидких ингредиентов, и не могут использоваться в других трубопроводах. Не всюду их можно применять, особенно если трубопроводы изобилуют врезками, имеют сложные профили, неодинаковый диаметр и пр. В связи с громадными объемами контроля схемы его проведения с помощью указанных устройств оказываются самыми простыми, а поэтому не все виды дефектов такими устройствами могут обнаруживаться. При наличии внутренней ржавчины, прилипаний грязи и отложений характер прохождения звука меняется, и результат контроля оказывается невнятным.
Существующие методы и приборы контроля извне также не всегда могут применяться на трубах, находящихся в эксплуатации. В самом деле, радиационные, магнитные и оптические приборы, предназначенные для контроля трубопроводов, как правило, здесь работают неудовлетворительно. Для применения ультразвуковых дефектоскопов требуется освобождать поверхности трубопроводов от всякого рода защитных покрытий, грязи и ржавчины. Нужен доступ ко всей поверхности трубопровода, что является не всегда возможным и допустимым. Кроме того, при УЗК таких объектов с помощью пьезопреобразователей, как правило, используются только методы, базирующиеся на законах геометрической акустики. В них распространение звука считается прямолинейным, дифракционные явления во внимание не принимаются, а специфические особенности объектов контроля не учитываются. Вследствие этого области контроля, производимого из одного места расположения преобразователей, оказываются небольшими по размерам. Сам контроль является трудоемким, дорогим, трудно реализуемым и не всегда возможным. Преимущества нормальных, т. е. собственных колебаний трубопроводов при этом не реализуются, в результате чего последние из перспективных помощников дефектоскопистов превращаются в источники неконтролируемых помех.
В этой связи рассмотрим более подробно, что собой представляют механические колебания, распространяющиеся в трубах.
Известно, что акустические волны в крупногабаритных изделиях в связи с их расходимостью ослабляются обратно квадрату расстояния от источника, т. е. пропорционально. Кроме того, амплитуда волны убывает в связи с частичным поглощением звука (преобразованием его энергии в тепло), а также рассеянием на всякого рода неоднородностях (границы кристаллитов, микродефекты, дислокации и пр.). В случае контроля пластин расходимость звука в одном из направлений исчезает, а поэтому амплитуда его уже убывает обратно расстоянию,.
В этой связи контроль дефектов в пластинах можно производить на значительно больших расстояниях, чем в крупногабаритных изделиях.
При контроле одномерных объектов (трубы, стержни, рельсы и др.) попавшим в них акустическим колебаниям некуда расходиться, а поэтому они могут распространяться на значительные расстояния от источника. Именно этим свойством и можно воспользоваться для экспресс-контроля трубопроводов, когда излучатель и приемник располагаются в доступном месте, а обнаружение дефектов производится на значительном удалении от него.
С другой стороны, волны в цилиндрически симметричных объектах могут распространяться как вдоль их образующей, поперек, так и по спирали, как показано на рис. 1. Этим открывается возможность обнаруживать плоские дефекты, ориентированные произвольно по отношению к оси трубопроводов. И очевидно, что все эти волны ведут себя неодинаково. В этой связи рассмотрим, какие волны способны распространяться в твердых телах.
В случае крупногабаритных объектов имеют место лишь волны двух типов, а именно продольного и поперечного вида. В первых из них происходит колебание элементарных объемов при сохранении их формы, а во вторых — колебание формы при сохранении объемов; одни обусловлены объемной упругостью тел, а другие — сдвиговой. Поэтому в жидкостях и газах последние не образуются. Понятно, что данные волны распространяются с разными скоростями и при встрече с препятствиями ведут себя неодинаково.
На границах тел обе волны сливаются в одну, получившую название рэлеевской, скорость которой для всех видов колебаний оказывается одной и той же, а частицы среды движутся по эллипсам. Причем, если плоскости этих эллипсов перпендикулярны поверхности тела, такие волны считаются классическими, а если параллельно — SH-поляризованными. Данные волны быстро убывают при удалении от границы, а поэтому используются только для контроля поверхностных и приповерхностных дефектов.
В пластинах и цилиндрических объектах перемещаются особые волны, получившие название нормальных. Они представляют собой специфическую суперпозицию волн продольного и поперечного типа и в зависимости от соотношений длин акустических волн и размеров указанных объектов либо быстро затухают, либо распространяются свободно на значительные расстояния. Это именно те волны, которые слышит человек при ударе по данным объектам. Причем таких незатухающих волн может быть несколько. Именно они и применяются для экспресс-контроля трубопроводов. И выбор указанных волн, конструирование их источников и приемников представляет собой наиболее сложную проблему конструирования надежной системы такого контроля. Причем для современных трубопроводов частоты контроля являются достаточно низкими: единицы и десятки килогерц.
Чтобы возбудить и принять такие колебания, можно применять пьезопреобразователи, магнитострикционные системы и ЭМА-преобразователи. Однако использование пьезо-систем и магнитострикционных преобразователей нежелательно по следующим соображениям. С одной стороны, для надежной их работы нужны излучатели больших размеров, дорогие и громоздкие. Кроме того, требуется создавать надежный акустический контакт их с поверхностью трубопроводов, что чревато нарушением их защитных покрытий. В этой связи наиболее целесообразно применять ЭМА-преобразователи, которые способны создавать любые виды колебаний бесконтактно. Кроме того, только с их помощью можно генерировать и принимать SH-поляризованные поверхностные волны, которые в наименьшей степени зависят от наличия защитных покрытий, опор или контакта с почвой. Поэтому опишем их более подробно.
Электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП) представляют собой магниты, расположенные перед поверхностью контролируемых тел, и катушки находящиеся между ними.
В случае их работы в качестве излучателей по указанным катушкам протекают импульсы тока, которые индуцируют токи Фуко в токопроводящих телах вблизи их поверхности. Вступая во взаимодействие с полем постоянных магнитов, эти токи вызывают появление сил Ампера, которые становятся источниками механических напряжений и генераторами акустических импульсных сигналов.
При работе ЭМАП в качестве излучателей ультразвуковые сигналы вызывают смещение границ контролируемых тел вместе с находящимися в них электронами. Вступая во взаимодействие с постоянным магнитным полем, эти смещения индуцируют токи в катушке, эквивалентные поступающим акустическим сигналам. При этом как характер ультразвуковых полей, их поляризация, так и направленность излучения — приема определяются конструкцией постоянных магнитов и катушек. Характерной особенностью таких преобразователей является их способность надежно работать со значительными зазорами даже при наличии на поверхности контроля всевозможных нетокопроводящих защитных мастик, красок и ржавчины.
Как показали выполненные авторами научные исследования, вся изложенная схема способна надежно работать с трубопроводами даже на значительных расстояниях от излучателей. В частности, показано, что при временной форме импульсного сигнала, соответствующей контролируемому трубопроводу и показанной на рис. 2А, на расстояниях 1 км и 2 км данный сигнал принимает вид, показанный на рис. 2Б и рис. 2В. Диаметр трубопровода здесь — 1 м, толщина труб — 2 см, рабочая частота — 7,5 кГц. Из рисунков следует, что прошедшие столь значительные расстояния сигналы не только становятся более короткими, но их форма и амплитуда слабо зависят от дистанции.
Остается открытым вопрос, насколько данные сигналы окажутся чувствительными к типовым дефектам трубопроводов (коррозионное снижение толщины, дефекты, усталостные повреждения и пр.). Как показали имеющиеся исследования, чувствительность подобных устройств оказывается весьма высокой. И объясняется это тем, что всякого рода поверхностные или внутренние неоднородности нарушают структуру нормальных волн, а следовательно, становятся источниками существенного рассеивания падающих сигналов.
Таким образом, авторами выполнена работа по обоснованию реальности создания метода, аппаратуры и схем экспресс-контроля трубопроводов, при котором можно контролировать значительные участки их, находясь на большом удалении. Показана возможность применения бесконтактных ЭМА-преобразователей для такого контроля, т. е. обнаружения в трубопроводах всякого рода расслоений, дефектов, коррозии и пр., когда источник — приемник ультразвука располагаются на значительном от них расстоянии.
Автор: В. И. Горделий, В. Е. Чабанов
