Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципы построения внутритрубных магнитных интроскопов для сплошной диагностики трубопроводов тепловых сетей

Абакумов А.А.

Старение трубопроводов тепловых сетей, сооруженных в [1960-80] гг. - одна из основных причин повышения количества нештатных ситуаций. В России сегодня эксплуатируется свыше 200 тыс.км подземных трубопроводов тепловых сетей. Из них по разным причинам от 30 % до 70 % трубопроводов отработали свой амортизационный срок и нуждаются в капитальном ремонте.

Количество аварий за последние десять лет выросло в пять раз и составляет 200 аварий на 100 км сетей теплоснабжения. Суммарные потери горячей и холодной воды из-за утраты герметичности и утечек в трубопроводах достигают в год 30 % от общего объема транспортируемой воды. Аварийная же замена труб, особенно в зимних условиях, приводит не только к страданием людей, попавших в бедственное положение, но и к большим финансовым потерям, в десятки раз превышающих расходы на плановую диагностику, ремонт и обновление трубопроводов. Основным способом ликвидации аварийных ситуаций сегодня являются гидравлические испытания повышенным давлением и полная замена изношенных трубопроводов. [1-4]

Причиной повреждений подземных коммунальных трубопроводов является как внутренняя, так и наружная коррозия. Развитие повреждений за счет внутренней коррозии приводит к тому, что уже через 5-6 лет после замены трубопровода в нем появляются утечки воды в местах локальных коррозионных язв. В большинстве случаев опасная степень наружной коррозии имеет локальный характер и сосредотачивается на участке труб длиной (1,0-1,5) м, охватывая не более (25-30) % периметра тубы.

До настоящего времени единственным способом уменьшения риска техногенных и экологических катастроф вследствие утечек пара, горячей воды и предупреждения значительных экономических потерь являлся капитальный ремонт линейной части трубопроводов. Замена труб при этом производится целыми участками, что требует значительных материальных затрат. Опыт работы предприятий тепловой энергетик по капитальному ремонту показывает, что в большинстве случаев нет необходимости в полной замене труб. Достаточно лишь достоверно выяснить локальные дефекты тела труб и ликвидировать их, не прибегая к полной замене труб и сплошному вскрытию трассы трубопроводов. Особую актуальность сегодня, в условиях увеличения сроков эксплуатации трубопроводов, роста числа аварийных ситуаций приобретает разработка и освоение современных методов сплошной 100 % магнитоскопии. Полученная при этом информация позволяет достоверно оценивать техническое состояние трубопроводов, определять безопасные технологические режимы их функционирования, устанавливать необходимость и очередность вывода участков трубопроводов в ремонт, прогнозировать остаточный ресурс трубопроводов.

На данный момент в России и за рубежом нашли применение следующие технологии обследования трубопроводов: [3-4]

1) визуальное и приборное выборочное обследование трубопроводов в шурфах и коллекторах. При этом используются различные методы: ультразвуковой, акустической эмиссии, рентгеновский, магнитопорошковый и др. методы. Большинство диагностических компаний используют именно такие способы обследований. Данные технологии наиболее простые и дешевые, однако, из-за точечного, выборочного характера исследований не позволяют осуществить сплошной стопроцентный контроль. Это приводит к пропуску дефектных участков;

2) внутритрубная телевизионная инспекция. Она предполагает проведение обследований с помощью самодвижущихся роботов с установленными на них видеокамерами. В наибольшей степени эти устройства применяются для контроля коммунальных распределительных трубопроводов горячей и холодной воды, пара и газа. Технология заключается в обнаружении струек воды, стекающей в трубопровод через сквозные отверстия из затрубного пространства. В настоящее время данная технология представлена широким спектром оборудования как отечественных, так и зарубежных компаний. При этом возможности и характеристики оборудования приблизительно одинаковы. Типичным представителем оборудования, реализующего эту технологию, являются инспекционные роботы российской компании «Тарис», г.Москва. Данная технология позволяет проводить сплошное обследование всего участка трубопровода, однако, при этом могут быть выявлены только сквозные отверстия. коммунальный трубопровод магнитный интроскоп

В настоящее время дефектоскопы для сплошной диагностики коммунальных трубопроводов как отечественного, так и зарубежного производства в России отсутствуют.

Следует учитывать, что наибольшие вложения в технологии обследования трубопроводов были сделаны в наиболее рентабельных и ресурсоемких отраслях промышленности (газовой, нефтяной), в то время как обследованию распределительных тепловых сетей внимания уделялось не достаточно. Однако, в настоящее время убытки от аварий тепловых трубопроводов таковы, что создание эффективной технологии и оборудования для обследований, направленных на предупреждение нештатных ситуаций, становится рентабельным.

Замечание: сложностью сегодняшней ситуации, связанной с состоянием тепловых трубопроводных систем, является не то, что они все чаще выходят из строя, а то, что службы, отвечающие за их эксплуатацию, не знают реального состояния объектов, за которые они отвечают. Предлагаемые внутритрубные магнитные интроскопы впервые позволяют получать такую информацию, причем быстро и сравнительно недорого.

Предусматривается два способа использования заявленной технологии:

· проведение сплошного обследования всех трубопроводов тепловых сетей, находящихся в эксплуатации. Этот подход позволит выявить дефекты трубопровода. Определить их точное местонахождение, размеры, степень опасности еще до возникновения утечки продукта, что позволит на практике перейти от послеаварийной статистической оценки их надежности к периодической оценке трубопровода на основе диагностической информации, получаемой интроскопом;

· проведение сплошного обследования всех трубопроводов тепловых сетей, подлежащих замене в соответствии с существующими методиками. Такой подход позволит перейти от системы аварийного и капитального нормативного ремонта к системе ремонта трубопровода по его фактическому состоянию, что значительно снизит затраты по эксплуатации трубопроводных систем.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что, поскольку подземные трубопроводы располагаются в земле, имеют сверху слой изоляции, а внутренняя их поверхность покрыта слоем накипи и коррозийными продуктами, то наиболее приемлемым способом их диагностирования является магнитный, не требующий механического контакта преобразователей магнитного поля и полезадающих систем с металлом стенки трубопровода.

Принцип действия внутритрубного магнитного интроскопа основан на намагничивании внутренней поверхности трубопроводов постоянными магнитами или электромагнитами, между полюсами которых находятся многоэлементные преобразователи магнитных полей. Внутритрубный магнитный интроскоп осуществляет сканирование магнитного рельефа, возникающего под действием полей рассеяния от дефектов стенки трубопровода, перемещаясь под действием потока воды, газа с помощью троса и лебедки. Информация о выявленных дефектах записывается в полупроводниковой памяти.

Во внутритрубном магнитном интроскопе, по окончании контроля участка трубопровода, применены компьютерные методы оценки геометрических параметров дефектов. По изображению осуществляется оценка формы дефектов, их ориентации и взаимного расположения. Выявляются коррозийные, термические и усталостные трещины, язвы, шлаковые и газовые включения, непровары сварных швов, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Изображение отпечатка трещин

В состав внутритрубного магнитного интроскопа входят: намагничивающее устройство на постоянных магнитах или электромагнитах со сканером (при секционном намагничивании их количество определяется диаметром трубопровода), электронный блок, блок питания. Производительность контроля до 0,5 м/с. Результаты диагностики остаются в памяти компьютера, либо остаются на бумажном носителе.

В конструкции внутритрубного магнитного интроскопа реализован механизм адаптации внутритрубного снаряда к изменению внутреннего диаметра трубы. Это позволяет использовать один внутритрубный интроскоп для семейства труб, диаметры которых отличаются, но находятся в диапазоне не более 10 % от среднего диаметра. Диагностика распределительного подземного трубопровода показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Диагностика прямолинейного участка распределительного трубопровода

При работе с внутритрубным магнитным интроскопом результаты диагностики считываются в стационарный или портативный компьютер. Поставляемое с интроскопом программное обеспечение позволяет проводить расшифровку магнитограмм, подготовку отчетов и архивирование результатов контроля. В комплект поставки кроме магнитного интроскопа входят:

· автоматизированная лебедка с одометром и кабелем для проводки и определения положения внутритрубного интроскопа;

· комплект оснастки для проводки внутритрубного интроскопа;

· стеклопластиковый трос «кобра» на барабане для ввода кабеля внутрь трубы;

· генератор тока 2,5 кВт, бензиновый;

· трос тянущий/страховочный на барабане;

· комплект технической документации, паспорт и руководство к эксплуатации;

· комплект прикладных программ нa CD;

· портативный компьютер РАС фирмы Dolch в противоударном исполнении с установленным программным обеспечением.

Однако, представленный на рисунке 2 интроскоп, может проходить только прямолинейные участки трубопроводов и не годится для диагностики компенсаторов, имеющих прямоугольный изгиб трубы. В дальнейшем рассмотрены принципы построения намагничивающих устройств и блоков датчиков внутритрубных магнитных интроскопов, лишенных этих недостатков.

Одним из основных вариантов намагничивающих устройств для продольного намагничивания трубы является цилиндрический магнит.

При этом труба намагничивается одним магнитом, имеющим ось симметрии, совпадающей с осью трубы (рисунок 3).

Рисунок 3 - Постоянный цилиндрический магнит

Этот магнит может возбуждаться электрическим током, либо является постоянным магнитом (монолитом или с участками магнитно-активного материала и пассивными магнитопроводами). В любом случае диаметр такого магнита, представляющего собой жесткую конструкцию, должен быть несколько меньше внутреннего диаметра контролируемой трубы, иначе магнит может застрять в трубе на изогнутом ее участке или заклиниться в ней при встрече с посторонним предметом, случайно не удаленном при прочистке трубопровода скребком.

При разработке интроскопа для контроля труб диаметром 273 мм требуется обеспечить зазор между жесткими элементами магнита и трубою, равный 10% от диаметра трубы, то есть 27 мм. Поэтому на пути магнитного потока, показанного на рисунке 3, появляется сопротивление, определяющееся двумя такими зазорами общей длиной 54 мм. Это очень большое магнитное сопротивление, и на его преодоление необходимо затратить большую магнитодвижущую силу.

Сопротивление зазора может быть уменьшено в 5-10 раз заполнением зазора щетками из железной проволоки или узких ленточек с гибким «ворсом», Эти щетки почти не уменьшают проходимость дефектоскопа в трубах.

При контроле трубопровода теплотрассы внутритрубный интроскоп должен пройти под землей расстояние от места его ввода в трубу до места вывода - в среднем около 400 м.

Расчеты показывают, что цилиндрический электромагнит, требующийся для намагничивания стенок трубы, можно обеспечить питанием в течение такого времени от внешних источников тока, соединенных кабелем с интроскопом

Намагничивающее устройство снабжено роликами, катящимися по поверхности трубы. Тянущее усилие обеспечивается тросом от лебедки либо давлением продукта на тяговую секцию интроскопа, выполненную в виде герметичного стального диска, снабженного полиуретановыми манжетами, плотно входящими в контролируемую трубу.

Для намагничивания трубы в продольном направлении используется мощный цилиндрический электромагнит или постоянный магнит, конфигурация полюсов которого напоминает катушку. Для труб диаметром 273 мм и толщиной стенки 9 мм эффективным может быть использование обоих видов постоянных магнитов: электромагнита с обмоткой намагничивания и постоянного магнита, выполненного из колец сплавов неодим-железо-бор.

Дефекты сплошности хорошо выявляются при намагничивании трубопровода до состояния технического насыщения 1,6Тл. При этом дефекты на внешней поверхности трубы будут создавать достаточно большие изменения магнитного поля, которое регистрируют блоки преобразователей, расположенных вблизи внутренней поверхности трубы.

Определяя расчетным путем размеры постоянного цилиндрического магнита с кольцами, изготовленными из сплава неодим-железо-бор, мы получаем следующие его размеры: диаметр ярма - 240 мм, диаметр колец постоянных магнитов 160 мм, длина 370 мм.

Проведенные экспериментальные исследования в рабочей области внутритрубного интроскопа с цилиндрической намагничивающей системой показали, что силовые линии магнитного поля в области расположения датчиков магнитного поля располагаются однородно, что позволяет регистрировать дефекты с высокой точностью.

Намагничивающее устройство снабжено роликами, катящимися по внутренней поверхности трубы, представляющими собой центрирующее устройство. Колеса центратора работают автономно и могут утапливаться в специальные прорези в случае их наезда на случайные препятствия, находящиеся внутри трубы, валики поперечных сварных швов и т.д. Причем, утапливается именно то колесо центратора, которое взаимодействует с возникшим препятствием, два других же остаются в обычном рабочем состоянии. Это дает возможность удерживать внутритрубный интроскоп постоянно в центре трубы, что позволяет значительно уменьшить износ лыж блоков преобразователей, возрастающий в случае перекоса цилиндрического намагничивающего устройства. Электронные блоки интроскопа располагаются с правой стороны намагничивающего устройства, вследствие чего количество секций интроскопа уменьшается до двух, что значительно облегчает вес, уменьшает габариты интроскопа и улучшает технологию проведения диагностических операций. В качестве второй секции используется тяговая, представляющая собой диск, наружная поверхность которого покрыта полиуретаном. Тяговая секция играет роль поршня и служит для перемещения внутритрубного интроскопа под действием сжатого воздуха, поступающего от компрессора. Соединяется тяговая секция с намагничивающим устройством шарнирным соединением, что позволяет преодолевать прямые углы поворота трубопроводов тепловых сетей в компенсаторах.

Неоднородности магнитного поля, обусловленные дефектами сплошности, могут быть выявлены нормальной к поверхности изделия или тангенциальной составляющей поля рассеяния дефекта. Тангенциальная составляющая не равна нулю и в том случае, когда в объекте контроля дефекты отсутствуют. Нормальная же составляющая поля становится отличной от нуля не только над дефектами сплошности, но и при малых отклонениях магнитных осей датчиков от нормалей поверхности трубы, а в условиях магнитоскопии трубопроводов магнитные оси датчиков должны быть ориентированы строго по радиусам трубы. Выполнить это требование нелегко, так как, если даже оно и будет выполняться на гладких участках трубы, то легко будет нарушаться при прохождении небольших препятствий.

При использовании тангенциальной составляющей поля, магнитные оси датчиков должны быть параллельны оси трубопровода, и, хотя при прохождении препятствий углы между осями датчиков и осью трубы будут меняться, изменение сигнала на выходе датчика Холла будет незначительно. Поэтому на практике диагностика трубопроводов в основном осуществляется по тангенциальной составляющей поля рассеяния от дефекта. Поскольку на сегодня наиболее хорошо технологически отработано производство датчиков Холла, то они и используются при разработке внутритрубного магнитного интроскопа для диагностики трубопроводов тепловых сетей.

Одной из наиболее трудных задач, возникающих при конструировании поисковой системы интроскопа, является создание таких устройств для крепления датчиков, которые бы обеспечивали их скольжение на малом расстоянии от внутренней поверхности трубопровода с малым износом трущихся о стенку трубы деталей крепления. Такие устройства называются блоками преобразователей или датчиков.

В настоящее время разработаны и описаны конструкции, в которых группы преобразователей, по нескольку штук в группе, закрепляются на определенной системе рычагов, опирающихся на шарниры и распираемых в сторону поверхности трубы пружинами, на износоустойчивых «лыжах», на эластичных пластинах из полиуретана.

После анализа рассмотренных способов для диагностики трубопроводов тепловых сетей диаметром до 500 мм, нами была выбрана лыжная конструкция крепления блока преобразователей. Схема расположения лыжи с блоком преобразователей приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема расположения лыжи с блоком преобразователей в магнитном интроскопе

Так как лыжи блоков датчиков испытывают большую ударную нагрузку, и к ним предъявляются повышенные требования по износоустойчивости, то изготавливаются они из пружинистой бронзы, подверженной нескольким циклам термической обработки. При правильной центровке внутритрубного интроскопа, лыжи симметрично располагаются относительно внутренней поверхности трубы и могут служить долго.

Для придания жесткости в центральной части лыжи посередине сделан паз. Размеры лыжи составляют (280х30х0,8) мм. Блоки преобразователей содержат по три датчика Холла, заливаются полиуретаном или реактоплпстом, имеют специальный высокопрочный разъем. Такая конструкция может выдерживать давление до 300 атм. и температуру до 140° С.

Изображение блока преобразователей приведено на рисунке 5.

Разработанная конструкция строчных преобразователей может обеспечить безаварийную работу при диагностике десятков километров. Блоки датчиков во внутритрубных магнитных интроскопах являются расходным материалом и при изнашивании заменяются на новые.

Рисунок 5 - Блок преобразователей с лыжей

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований был подготовлен макет экспериментального образца интроскопа, включающего цилиндрическое намагничивающее устройство, тяговую секцию, блоки преобразователей с датчиками Холла, лыжи из пружинистой бронзы с выемками посередине полосы для придания жесткости всей конструкции. Блоки преобразователей укреплялись с помощью специальных скоб со стороны лыж, противоположных внутренней поверхности трубы. Таким образом, датчики контактируют с поверхностью тубы через немагнитные лыжи толщиной 0,8 мм, что является достаточным для уверенной регистрации магнитного поля рассеяния от дефектов трубопроводов, и предохраняет преобразователи от быстрого износа.

Был разработан и изготовлен испытательный стенд, состоящий из тестовой трубы с дефектами, представляющей собой часть компенсатора тепловых сетей, длиной 3 м с 90°-ым изгибом, наружным диаметром 273 мм и толщиной стенки 9 мм; ручной лебедки для протягивания внутритрубного интроскопа. Внутренняя поверхность трубы была очищена от солей и накипи, а на внешней стороне нанесены эталонные дефекты: язвы, трещины, сквозные отверстия.

Изображение стенда с макетом магнитного интроскопа приведено на рисунке 6.

Разработанная методика экспериментальных исследований на стенде предполагала тросо-лебедочную технологию протаскивания внутритрубного магнитного интроскопа через тестовую трубу с прямоугольным изгибом. Движущая сила создавалась с помощью ручной лебедки. Основной задачей проводимых экспериментов было определение возможности уверенного прохождения интроскопа через прямоугольный изгиб трубопровода.

Рисунок 6 - Испытательный стенд с макетом внутритрубного магнитного интроскопа

Кроме этого, исследовались также следующие задачи:

· оптимизация размеров блоков преобразователей и несущих лыж с целью определения их возможности деформации наружу или внутрь к корпусу цилиндрического намагничивающего устройства в момент прохождения изгиба. Причем, величина деформации лыжи внутрь должна иметь определенные пределы, иначе может произойти повреждение блока преобразователей, находящихся между намагничивающим устройством и поверхностью изгиба;

· понижение коэффициента трения с целью уменьшения износа лыж.

Изменения магнитного рельефа тестовой трубы фиксировались блоками строчных преобразователей и записывались в компьютере. При механическом перемещении внутритрубного интроскопа с помощью троса и лебедки осуществлялось электромеханическое сканирование внутренней поверхности тестовой трубы. Проведение экспериментов, путем многократного прохождения макета интроскопа по тестовой трубе при скорости до 0,5 м/с, показало хорошую воспроизводимость, т.е. во всех случаях интроскоп уверенно проходил изгибы, и высокую достоверность регистрации эталонных дефектов.

После анализа данных, полученных по результатам эксперимента, была осуществлена незначительная корректировка конфигурации формы цилиндрического намагничивающего устройства в целях увеличения зазора между полюсами и поверхностью трубы, необходимого для успешной работы интроскопа в случае увеличения толщины накипи на стенках труб до (3-5) мм

Научно-исследовательская работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения по критической технологии «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии», шифр работы 2007-6-1.6-31-05-018, Госконтракт № 02.516.11.6078, тема работы «Разработка внутритрубного магнитного интроскопа для сплошной диагностики трубопроводов тепловых сетей».

Литература

1. Абакумов А.А. Магнитная интроскопия. М.: Энергоатомиздат 1996, 272 с.

2. Абакумов А.А., Абакумов А.А.(мл.) Магнитная диагностика газонефтепроводов. М.: Энергоатомиздат. 2001 432 с.

3. Абакумов А.А. Магнитная интроскопия. М.: Энергоатомиздат 1996, 272 с.

4. Абакумов А.А., Абакумов А.А.(мл.), Касатов Е.А. Магнитные интроскопы для диагностики тепловых сетей// Новости теплоснабжения.- № 10.- 2003.- (41-43) с.

Размещено на Allbest.ru