Использование технологии MFL для выявления коррозионных повреждений трубопроводов



Большинство металлов имеет склонность к коррозии, поэтомуважной задачей является контроль надежности трубопроводов, которые в результате коррозии могут разрушаться с катастрофическими последствиями. В статье рассмотрены вопросы применения технологии MFL для контроля коррозионных повреждений трубопроводов. Рассмотрены модели измерительных преобразователей.

Ключевые слова: питтинговая коррозия, метод рассеянного (вытесненного) магнитного потока MagneticFluxLeakage (MFL), многоканальный первичный измерительный преобразователь

Трубопроводы в процессе эксплуатации подвергаются комплексному воздействию давления, вибрации, температуры, агрессивных веществ, механическим нагрузкам и другим воздействиям, вызывающим повреждения (дефекты) с внешней и внутренней стороны стенки трубопроводов (коррозия, каверны, язвы, продольные и поперечные канавки, продольные и поперечные трещины и др. механические повреждения. При этом применение катодной защиты, а также ингибиторов коррозии зачастую затруднено и не всегда приводит к эффективному предотвращению коррозии. Нормативная документация предписывает периодическое освидетельствование трубопроводов для исключения серьезных аварий и катастроф. Проведение стопроцентного контроля состояния поверхности труб с внешней стороны сопряжено с большими финансовыми и техническими проблемами, в ряде случаев принципиально не возможно.

Представляется интерес применения метода MFL для контроля трубопроводов. Метод рассеянного (вытесненного) магнитного потока MagneticFluxLeakage (MFL), в ряде нормативных документов указываемый как FluxLeakage, является одним из основных методов магнитного вида НК для выявления:

– коррозионных повреждений (питтинговых или плоскостных) стенок изделий из черных металлов, главным образом трубопроводов и днищ цилиндрических резервуаров (например, нефтехранилищ);

– механических повреждений (продольных или поперечных разрывов или трещин с большим раскрытием) бесшовных и сварных труб, в том числе толстостенных;

– дефектов продольных сварных швов труб. [1,3,4,5]

Рассмотрим основные положения метода. При расположении П — образного постоянного магнита на некотором расстоянии от стенки ферромагнитного изделия (рис. 1) часть силовых линий прерывается на границе разделов двух сред (магнит — воздух и воздух — стенка изделия) с отличающимися значениями магнитной проницаемости µ_i, причем

(1)

Рис. 1. Преломление (скачок) силовых линий на границе раздела двух сред

Нормальная H_ni (к поверхности раздела) составляющая напряженности магнитного поля испытывает скачок при переходе из одной среды в другую, а тангенциальные составляющие изменяются при переходе через границу раздела сред непрерывно [1,2].

При этом

(2)

(3)

При использовании редкоземельных магнитов (Nd-Fe-B) с индукцией порядка 1 … 1,1 Тл достигаемое высокое значение магнитной проницаемости µ_ст низкоуглеродистых сталей приводит к тому, что снаружи на границе раздела воздух/сталь магнитные силовые линии направлены практически перпендикулярно к поверхности, в то время как в объеме изделия они стремятся проходить практически параллельно поверхности, что обеспечивает минимальное сопротивление магнитной цепи [2].

При определенных соотношениях толщины Т стенки изделия и размеров магнита практически все силовые линии магнитного потока будут проходить внутри листа, лишь незначительная часть из них выйдет наружу (рис. 2, а).

В случае если на одной из поверхностей листа будет участок с локальным утонением (например, питтинговой коррозией), то произойдет изменение картины магнитного поля (рис. 2.б).

Рис. 2. Расчетная картина силовых линий магнитного поля на бездефектном участке стального листа (а) и линий магнитного поля рассеяния в районе искусственного дефекта (б)

Плотность силовых линий в районе дефекта возрастет, и часть магнитных силовых линий выйдет из листа, как со стороны установки магнита, так и с противоположной стороны (произойдет рассеяние магнитного потока), что может быть зафиксировано путем измерения нормальной составляющей напряженности магнитного поля Н_iили магнитного потока Ф_i, пронизывающего индукционную обмотку площадью S:

(4)

где В_n и Н_n — нормальные составляющие магнитной индукции и напряженности магнитного поля в точке измерения, располагаемой симметрично между полюсами магнита [2,4].

Первичные измерительные преобразователи (в дальнейшем преобразователи), реализующие рассматриваемый метод, представляют собой П — образные магнитопроводы с вставками из постоянных редкоземельных магнитов (Nd-Fe-B) и многоканальную систему чувствительных элементов, располагаемых симметрично между полюсами магнитопровода в области магнитного поля одной интенсивности (рис. 3) Базовые преобразователи фирмы Silverwing, основоположника метода, имеют следующие размеры: длина магнита А = 25 мм, высота магнита С = 10 мм, высота ярма Е = 20 мм, высота полюса D = 25 мм, расстояние между полюсами L = 50 мм, зазор Z = 5 мм. Ширина магнитопровода составляет порядка 40 мм. Преобразователи предназначены для выявления плоскостной и питтинговой коррозии изделий с толщиной стенки H = 6–16 мм. При l ≈ H гарантированно выявляются искусственные дефекты глубиной от h = 1,8 мм (H = 6 мм) до h = 8 мм (H = 16 мм). В качестве чувствительных элементов используются преобразователи Холла, анализирующие изменение нормальной составляющей B_zмагнитной индукции в точке наблюдения [1,4].

Рис. 3. Структура первичного измерительного преобразователя, реализующего метод MFL и объект контроля с искусственным дефектом в виде поперечного пропила, имитирующим коррозионное повреждение стенки (1 – ярмо магнитопровода, 2 и 3 – редкоземельные магниты, 4 и 5 – полюса магнитопровода, 6 – чувствительный элемент/точка наблюдения, 7 – стальной лист с искусственным дефектом)

Как указывалось выше, основное применение рассматриваемые преобразователи нашли для выявления коррозионных повреждений труб и листовых материалов (например, днищ резервуаров).

При контроле трубопроводов необходимо: гарантировать выявление коррозионных повреждений на внешней и внутренней поверхности в заданном диапазоне толщин Т стенки изделий; фиксировать границы участков коррозии (х_i, y_i); оценивать глубину Н_п и объем V_п каждого коррозионного повреждения; обеспечивать высокую производительность.

Выполнение этих условий достигается применением измерительных преобразователей с магнитами большой ширины и многоканальной системы чувствительных элементов 1…n, располагаемых между полюсами магнита в области магнитного поля одной напряженности (рис. 4), которые при сканировании пересекут область дефекта, позволят определить его границы и глубину по координатам [1,3].

Рис. 4. Многоканальный первичный измерительный преобразователь (1...n – твердотельные чувствительные элементы)

При сканировании поверхности многоканальным преобразователем могут быть определены границы дефекта (рис. 5) и восстановлена форма его профиля (рис. 6) [1,4].

Рис. 5. Траектория сканирования многоканального первичного измерительного преобразователя и фиксация границ области дефекта (например, питтинговой коррозии) по каждому из каналов контроля

Рис. 6. Построение n - канальной диаграммы изменения магнитного потока Фiz (x) (а) и диаграммы, иллюстрирующей профиль сечений дефекта по глубине (б)

Рассмотрим применение многоканальных внутритрубных MFL — систем (часто называемых внутритрубными сканерами или снарядами). В классическом варианте для проведения контроля стенки трубы необходимо намагнитить до насыщения каждый сектор трубы вдоль ее оси и установить, по аналогии с выше сказанным, один или несколько преобразователей Холла для фиксации потоков рассеяния (рис. 7).

Рис. 7. Секторная система намагничивания и подпружиненный преобразователь Холла внутри трубы с участком питтинговой коррозии: 1 – стенка трубы, 2 – участок трубы с питтинговой коррозией, 3 и 4 – стальные щетки системы намагничивания, 5 и 6 – редкоземельные магниты, 7 – задняя металлическая монтажная панель (ярмо системы намагничивания), 8 – преобразователь Холла, 9 – подпружиненная система прижима.

Для контроля всей поверхности трубы по образующей необходимо соответствующее количество секторных систем намагничивания, установленных на узел позиционирования и перемещения, на котором также должны устанавливаться блок сбора и обработки измерительной информации и аккумуляторное питание (рис. 8).

Рис. 8. Структура многоканальной внутритрубной MFL – системы. 1 – стенка трубы, 2 - секторная система намагничивания и подпружиненный преобразователь Холла, 3 – блок сбора и обработки измерительной информации, 4 – блок хранения информации (например, магнитный накопитель), 5 – герметичный корпус, 6 – одометр (датчик пути), 7 и 8 – эластичные манжеты

Эластичные манжеты обеспечивают позиционирование системы, защиту элементов от химического и механического воздействия, а также ее перемещение за счет внутреннего избыточного давления продуктов, транспортируемых по трубопроводу (например, нефти) [1,3,5].

Изменение картины силовых линий постоянного магнитного поля при сканировании поверхности трубы многоканальной внутритрубной MFL — системой на бездефектном и дефектном участках представлено на рис. 9.

Рис. 9. Картина силовых линий постоянного магнитного поля в зоне контроля при перемещении многоканальной внутритрубной MFL – системы: на бездефектном участке (а), при нахождении коррозионного повреждения в зоне гибких стальных щеток системы намагничивания (б), при нахождении коррозионного повреждения в зоне преобразователей Холла (в)

MFL — очень полезный экспресс-метод, который обеспечивает возможность быстрого предварительного контроля коррозионного состояния больших поверхностей с обеих сторон — внутренней и внешней. Метод предоставляет информацию о двух важных показателях — местоположении и степени поражения материала, что существенно минимизирует время для УЗК и позволяет проводить его только в определенных областях.

Литература:

1. Потапов А. И., Сясько В. А., Соломенчук П. В. и др. Электромагнитные и магнитные методы неразрушающего контроля материалов и изделий. Т.2: Электромагнитные и магнитные методы дефектоскопии и контроля свойств материалов. СПб.: Нестор-История, 2015. — 440 с.
2. А. И. Потапов, В. А. Сясько, О. П. Пудовкин. Оптимизация параметров первичных измерительных преобразователей, реализующих технологию MFL. «Дефектоскопия» 2015 г. № 8 стр. 64
3. Сясько В. А. Об использовании технологии MFL для выявления коррозионных повреждений обшивки судов / В. А. Сясько // В мире неразрушающего контроля. 2015. Т. 18. №. 3. C. 7–10. DOI: 10.12737/12563
4. Зеленюк В. Н. Системы и технологии автоматизированного контроля резервуаров и труб компании Silverwing UK LTD. (англия) \\ Территория «НЕФТЕГАЗ» № 5 \май \ 2011 с 32–34
5. Д. А. Слесарев, А. А. Абакумов. Обработка и представление информации в MFL методе неразрушающего контроля. Дефектоскопия, № 9, 2013 г, с. 3–9.