Полезны ли методы бесконтактной магнитометрической диагностики для риск-ориентированного управления надежностью (целостностью) трубопроводных систем? - Какую роль играют автоматизированные магнитометрические методы обследования в создании цифровых «двойн

Вопрос:

Полезны ли методы бесконтактной магнитометрической диагностики для риск-ориентированного управления надежностью (целостностью) трубопроводных систем?

Какую роль играют автоматизированные магнитометрические методы обследования в создании цифровых «двойников» подземной и подводной трубопроводной инфраструктуры ?

Ответ:

Трубопроводы являются лидирующим видом транспорта, который используется для транспортировки различных типов жидких и газообразных продуктов. Такой способ считается наиболее выгодным в экономическом плане. Оценивая эффективность, стоит отметить самые высокие показатели производительности, грузооборота и себестоимости.

Использование трубопроводов дает возможность оптимизировать дальние транспортировки. Кроме того, данный способ является одним из наиболее безопасных по сравнению с другими видами транспорта.

Сферы использования и особенности производства

Трубопроводы применяются для транспортировки жидких и газообразных продуктов от производителя к потребителю. Продуктами такой доставки являются:

·         Нефть и нефтепродукты (бензин, керосин и т.п.).

·         Углеводородные газы и нестабильные классы бензина, широкие фракции летучих углеводородов (ШФЛУ).

·         Импульсные, топливные и пусковые газы.

·         Вода

·         Этилен, аммиак и другие жидкие продукты химии и нефтехимии

На некоторых производствах (горнодобывающих, обогатительных, угольных и т.п.) применяется трубопроводная доставка раздробленного твердого сырья (шихты, пульпы). Кроме того, колоссальную протяженность имеют муниципальные системы обеспечения – газо- и водоснабжения, пожаротушения а в отдельных странах – теплоснабжения, охлаждающие трубопроводы теплоэлектростанций, объектов энергетики, трубопроводная инфраструктура аэропортов, заводов и т.п

Учитывая протяженность, высокую скорость транспортировки и работу под давлением, к трубопроводным системам выдвигается ряд требований, соблюдение которых необходимо для безопасной и продуктивной эксплуатации.

Обеспечения оптимального функционирования трубопроводных систем начинается на этапе производства. Вид объектов и требования к коррозионной стойкости и прочности диктуют выбор материала для изготовления труб. Так, оптимальный материал жд магистральных трубопроводов – высокопрочная сталь, а для промысловых объектов зачастую выбирают менее прочные, но более стойкие к коррозионно-механческим поражениям углеродистые трубные стали или высокопрочный чугун с шаровидными графитовыми включениями (ВЧШГ). Обязательным условием является применение специальных антикоррозийных покрытий, благодаря которым удается существенно повысить сроки эксплуатации трубопроводов. Противокоррозионное покрытие должно быть сплошным, водонепроницаемым, устойчивым к воздействию термических и микробиологических факторов, а также механически прочным.

Сварные монтажные и заводские соединения (швы) – один из важнейших аспектов, обеспечивающих надежность трубопроводной системы, поскольку нарушение технологии сварки приводит к возникновению брака строительства объекта и зачастую обуславливает повышенный риски отказов на начальных сроках эксплуатации (так называемая «детская смертность»). Заводское сварное соединение прямошовных или спиралешовных труб выполняется для производства труб из рулонного или листового стального проката. Монтажные (стыковые) сварные соединения выполняются для сборки труб в плети на заводе, а также для монтаже их в трассовых условиях при строительстве.

Соблюдение основных требований по качеству на всех этапах жизненного цикла конструкции, которые регламентированы нормативными актами, позволяет добиться высокой прочности, безопасности и надежности трубопровода как сооружения в целом. Эти показатели обеспечивают его целостность, которая долго сохраняется в ходе эксплуатации.

Факторы воздействия среды, снижающие надежность

Трубопроводные системы подвергаются постоянному воздействию внешних и внутренних факторов. Избежать этого влияния невозможно, так как протяженность трубопровода наличие изгибов и наклонов, залегание на участках с разными грунтами, нагрузками, воздействиями посторонних техногенных факторов (других трубопроводов, например) обуславливает гетерогенность вмещающей среды и неравномерность напряженно-дефромированного состояния (НДС) вдоль единого протяженного сооружения. Участки с дополнительными локальными нагрузками со стороны среды подвергается наиболее интенсивным влияниям механических и коррозионных факторов и способствуют формированию сначала концентраторов напряжений, а затем и зарождению дефектов сплошности. В результате может возникнуть риск развития дефектов вплоть до аварийного нарушения целостности. (разгерметизации). В случае магистрального транспорта газа это чревато воспламенением или взрывом, в случае транспортировки жидких углеводородов или химического сырья – загрязнением окружающей трубопровод среды.

Обеспечение безопасной и эффективной эксплуатации трубопровода предусматривает постоянный контроль состояния системы с учетом фактических параметров и расчетом возможных рисков возникновения аварийной ситуации. Основные критерии диагностики рассчитываются на основании такого критерия так называемого «предельного состояния», как превышение допустимого уровня локальных напряжений на дефектном участка трубопровода, наличие сформировавшихся деформаций, сквозные разрушения по причине глубокой локальной коррозии либо растрескивания. Поскольку это негативное воздействие многофакторно, то наиболее достоверными являются диагностические данные, которые получены в реальных условиях эксплуатации.

Востребованность диагностики

Необходимость диагностики реального технического состояния трубопроводной системы обусловлена тем, что большинство аварийных ситуаций связаны как с разгерметизацией по причине коррозии или коррозионного растрескивания под напряжением (КРН), так и по причине развития других дефектов основного или сварного металла, а также обусловлены появлением чрезмерных изгибных или скручивающих деформаций под влиянием запредельных локальных нагрузок. Дефекты металла, являющиеся концентраторами механических напряжений, появляются в результате воздействия многих факторов среды и сильно различаются на протяжении отдельных участков протяженной конструкции. Эти многочисленные факторы и их гетерогенность трудно учесть полностью при проведении лабораторных испытаний и расчетов эксплуатационных качеств материалов (например, длительной коррозионной стойкости или трещиностойкости). К подобным факторам воздействия, например, сред относятся такие, как:

·         Длительное механическое воздействие оползающих грунтов (приводящее, как часто встречается, к потери адгезии изоляционных покрытий и появлению «карманов» или «шатровых полостей под отслоившейся изоляцией)

·         Просадка грунта со слабой несущей способностью с возможным оголением части трубы.

·         Воздействие внутренних факторов – например, коррозионная агрессивность транспортируемого продукта.

·         Размывание грунтового основания, например, сильными течениями в подводных условиях с дополнительным деформирующим воздействием нагрузки течения и на металл труб.

В результате образуются изгибные деформации, из-за которых может произойти нарушение целостности трубопровода. Утрата надежности чревата аварийными ситуациями, которые связаны с нарушением герметичности стыков или тела трубы или развитием магистральных трещин из микротрещин коррозионного растрескивания под напряжением.

Значительную роль в повышение рисков отказа трубопровода играют процессы деградации свойств металла на локальныз участках – например, по причине коррозии, эрозии или растрескивания под напряжением. Учитывая огромный грузооборот и большую протяжность трубопроводов, а также в подавляющем большинстве их подземную или подводную прокладку, выявление и оценка скоростей таких процессов представляет довольно большую проблему. Из широко распространенных технологий обследования реального состояния металла наиболее известно внутритрубное обследование снарядами-дефектоскопами (ВТД) со стороны внутренней поверхности стенок труб, т.е. при доступе к металлу для контроля на всем протяжении объекта. Главное ограничение этой технологии – ее недоступность для большинства не магистральных трубопроводных систем. Так, по экспертным оценкам, даже в промышленно-развитых странах протяженность трубопроводов, не подлежащих ВТД (так называемых non-piggable) составляет более 70%. Традиционные же методы выборочного контроля металла в отдельных точках доступа к поверхности (в шурфах) дают весьма небольшой объем информции о состоянии металла труб, обычно не более долей процентов контроля металла от протяженности объекта, зачастую включающего сотни и тысячи километров Поэтому поиск новых диагностических технологий весьма актуальная задача для всего мира. Одним из наиболее достоверных инновационных методов выявления дефектов металла являются современные бесконтактные методы.

Дистанционные магнитометрические методы – основа инновационной диагностики технического состояния

Бесконтактные методы позволяют дать комплексную оценку эксплуатационных возможностей трубопровода без вмешательства р рабочий режим эксплуатации системы. Они дают возможность работать с любыми типами трубопроводов без подготовки к обследованию. Основное преимущество – возможность лперативного контроля в реальных условиях эксплуатации с минимальным сроком полного цикла выполнения работ – от обследования до ремонта. Это преимущество особенно заметно для трубопроводов, даже подлежащих ВТД при работе на территориях с горной или болотистой местностью, с грунтами со слабой несущей способностью (шахтные выработки) и в других климатически или сейсмически неустойчивых регионах. В подобных условиях весьма существенный вклад в снижение надежности трубопроводов вносят дополнительные деформации, локальные нагрузки и риски внезапных (катастрофических) нарушений. Вместе с тем подобные локальные воздействия весьма трудны (если вообще возможны) с применением снарядов-дефектоскопов.

Бесконтактные магнитометрические методы являются экономически выгодным вариантом диагностики вследствие универсальности, применимости для всех объектов, отсутствия необходимости подготовки к обследованию, минимального отвлечения ресурсов заказчиков на проведение обследования. Они не несут рисков временного прекращения эксплуатации трубопроводных систем в случае застревания очистных устройств при подготовке или снарядов-дефектоскопов при проведении ВТД. Благодаря этому удается с высокой точностью рассчитать фактические риски для той доли трубопроводов (вспоминаем – более 70% от общей протяженности.) и спланировать профилактические ремонтно-восстановительные мероприятия по методологии RBI – риск ориентированного инспектирования. В данном случае иногда бывает экономически более целесообразным отказаться от комплексного обследования многих составляющих конструкции в пользу прямого контроля металла на всем протяжении. 60-ти летним опытом эксплуатации внутритрубных снарядов дефектоскопов доказана эффективность подобного ресурсосбережения, когда обследование начинают с металла и уже лишь при необходимости привлекают в качестве дополнительных комплексные методы.

Бесконтактные методы диагностики: разновидности

Существуют различные варианты бесконтактных диагностических мероприятий:

·         Фотонаблюдение и Видеонаблюдение - в случае наземной прокладки - для выявления внешних и внутренних воздействий, которые могут быть связаны с неправомерными вмешательствами, природными и техногенными явлениями. При доступе во внутреннюю полость трубопровода возможно выявление отложений на внутренней стенке труб, например, водоводов или канализации.

·         Зондирование (на основе тепловизионных, радиолокационных и лазерных методик) или гидроиспытания повышенным давлением – в основном для интегрального обследования для выявления оси подземного объекта или уже появившихся дефектов или утечек продукта из него в случае нарушения целостности.

·         Метод магнитной томографии (разновидность бесконтактной магнитометрической диагностики).

К относительно новому виду диагностических методов стоит отнести магнитную томографию (МТМ). Она имеет ряд преимуществ:

·         Высокая точность позиционирования с максимальной локализацией проблемного участка металла (концентратора напряжений).

·         Возможность выявления дефектов с ичтожными геометрическими размерами, зачастую представляющих максимальные риски для надежного функционирования трубопроводной системы (усталостные микротрещины, холодовые трещины сварных соединений, трещины коррозионного растрескивания под напряжением и т.п..

·         Возможность выявления аномалий напряженно-деформированного состояния и повышения локальных нагрузок – что является уникальным преимуществом, поскольку позволяет в едином цикле обследования выявить факторы негативного местного воздействия со стороны среды

·         Расширенный функционал с дополнительными опциями вычисления потенциальных рисков (с учетом механических напряжений).

·         Безопасность выполнения обследованию – в режиме пассивного приемника, бех подготовки, присоединений к сооружению, намагничивания, очистки полости и т.п..

·         Высокая скорость работы (стандартная рабочая бригада из 3-х человек проводит сканирование 5 км трассы в течение 1 рабочего дня).

МТМ – современная дистанционная технология

Метод магнитной томографии применяется для объективного оследования технических характеристик трубопровода, включая состояние металла и актуальные нагрузки в реальных режимах эксплуатации. Диагностика проводится на основании оценки напряженно-деформированного состояния и расчетов количественных параметров прогнозирования надежности. Для каждого выявленного участка с аномалией рассчитывают точные абсолютные географические координаты (GPS или ГЛОНАСС). Величину локальных напряжений (МПа), допустимое рабочее давление, период безаварийно работы (гамма-процентный ресурс), а также расчетный ремонтный фактор (коэффициент безопасного давления).

Основная задача – выявление участков с риском возникновения аварийного нарушения целостности трубопровода и формирование программы управления надежностью на основе объективных данных состояния металла, нагрузок и их мониторинга. Методология риск-ориентированного обследования металла трубопроводов с применением МТМ дает возможность рационально спланировать необходимые ремонтно-восстановительные мероприятия и даже предложить сроки и способы их выполнения. Современное техническое обеспечение позволяет выявлять участки с минимальными деформациями.

Также МТМ позволяет решить дополнительную задачу – расчет срока безаварийной эксплуатации с минимальным (10%) риском возникновения аварии (определение гамма-процентного ресурса).

Суть метода

Метод базируется на магнитомеханическом эффекте обратной магнитострикции (Виллари эффект, открытый 2 столетия назад). Формирование структуры ферромагнитного металла происходит в процессе его изготовления – с пространственной ориентацией магнитных доменов уже на производственном этапе. При отсутствии значительных концентраторов напряжений структура металла однородна и магнитное поле труб эквипотенциально. При появдении дефектов сплошности любой природы – деформации структуры возникает искажение силовых линий магнитного поля (изменяется вектор магнитной индукции в рйоне концентратора напряжений), что можно дистанционно зарегистрировать высокочувствительными магнитометрами.

Во время дальнейшей эксплуатации трубопровод подвергается множественным механическим воздействиям и нагрузкам, а также неравномерному намагничиванию под воздействием магнитного поля Земли – с аномалиями на участках концентрации механических напряжений, обусловленных повышенным уровнем намагниченности. Это приводит как к появлению концентраторов механических напряжений и зон повышенного риска, так и проявляется в виде аномалий магнитного поля, которые можно зарегистрировать и ранжировать по величине амплитуды и форме сигнала. Это позволяет ввести критерии опасности по уровню локальных нагрузок, регламентированных в нормативных документах. Участки «избыточной намагниченности» сопряжены с концентраторами напряжений как по причине дефектности металла любой природы, так и в зонах повышенных механических нагрузок. В результате в зонах повышенных напряжение не только образуются, но и быстр развиваются дефекты различной природы (в том числе с ничтожными размерами) размера, которые можно выявить только при помощи дистанционных магнитных методов.

Метод магнитной томографии позволяет выявить ранжировать по категориям: - опасные, - потенциально опасные и малоопасные участки с дефектами металла и повышенными нагрузками с помощью оценки параметров магнитного поля. Оценка напряженно-деформированного состояния лежит в основе дальнейшего расчета параметров безопасности и надежности системы в целом на основе общепризнанных количественных критерием – Рбез, Тбез, Si, SCF (коэффициент концентрации напряжений), коэффициент безопасного давления - КБД (ERF). Благодаря тому, что метод дистанционен, он является полностью безопасным для обследуемого объекта, не создавая дополнительного риска при подготовке и проведении обследования.

Дополнительные возможности МТМ

Помимо концентраторов напряжений, сопряженных с дефектами металла любых типов, дистанционная технология МТМ позволяет выявить аномалии, которые находятся на участках с повышенными нагрузками:

·         Сейсмоактивные зоны.

·         Грунты со слабой несущей способность, например, вечномерзлотные.

·         Территории возникновения оползней.

·         Участки со сниженной устойчивостью к общим и специфическим механическим нагрузкам – в областях течений, ветровой или ледовой нагрузки,

·         Участки местной или локальной потери устойчивости (коробления) подземной или подводной конструкции

Огромное преимущество метода магнитной томографии заключается в расширенных функциональных возможностях и высокой точности в силу объективной регистрации и оценки опасности рисков, которые ранее прогнозировались лишь расчетным путем на основе номинального распределения нагрузок и экспертных предположений о выборе наиболее нагруженных участков. Не будем забывать, что подземное или подводное сооружение большой протяженности испытывает переменные местные нагрузки, которые при расчетах надежности на основе традиционного «параметрического подхода» учитывались лишь номинально. Параметрический подход основан на расчетах параметров по полученным в результате внутритрубной диагностики или контактных методов неразрушающего контроля геометрическим размерам дефектов металла. А вот величину местной нагрузки и итоговых сформировавшихся в окрестностях дефектов локальных напряжений (Si) по данным ВТД или НК в шурфах можно определить лишь выборочно расчетными методами в отдельных точнах доступа (в шурфах).   При помощи непосредственной инструментальной регистрации напряжений сквозь землю и воду на всем протяжении объекта удается выявить локальные нагрузки и опасные дефекты даже на стадии зарождения – в частности, усталостные трещины.

Применение МТМ перспективно для выявления дефектов на всех стадиях жизненного цикла, в частности таких, как:

·         Технологический брак труб во время производства

·         Повреждения, связанные с механическими воздействиями при транспортировке трубной продукции различной природы и интенсивности.

·         Повышенные напряжения, связанные с браком строительства или недостатками проекта. Например, недостаточная «подбивка» грунтом при укладке в траншею во время монтажа трубопровода в зимнее время. В результате после оттаивания участки грунта недостаточной плотности вымываются из-под трубы весной и возникают свободные провисы. Аналогичные процессы угрожают подводным конструкциям за счет наличия сильных течений, .формирующих участки недопустимых свободных провисов недопустимой длины. Кроме того, к подобным трудно выявляемым дефектам относятся дефекты сварных монтажных (стыковых) соединений.

·         Участки коррозии или эрозии, возникшие во время эксплуатации. При этом удается определить повреждения как внешней, так и внутренней стенки труб трубопроводов.

·         Трещины и трещиноподобные дефекты разной ориентации и размеров, например, т.н. «холодовые» трещины сварных соединений.

Результатом МТМ является количественная оценка основных параметров прогнозирования надежности (работоспособности) на основе объективных данных инструментального обследования. В частности, рассчитывается период безопасной эксплуатации (γ-процентный ресурс), безопасное рабочее давление газопроводов и планируется управление рисками возникновения аварийной ситуации за счет предупредительных выборочных ремонтов (RBI подход). Таким образом экономятся ресурсы владельца объекта, направляемые не по регламентным показателям на все объекты или вся протяженность инфраструктуры по формальным основаниям, а по реальному состоянию на основе физического износа и падения надежности конструкции в отдельных зонах выявленных аномалий (обычно не более 10% по протяженности объекта). Тем самым после ликвидации рисков в этих зонах восстанавливается надежность всей трубопроводной инфраструктуры на 100% протяженности.

Преимущества раннего выявления потенциально опасных участков

Современные дистанционные магнитные диагностические методы дают возможность выявить потенциально опасные участки трубопровода, которые могут привести к возникновению аварийной ситуации. Благодаря применению этой методики удается не только быстро ликвидировать уже появившийся дефект, но и, в случае отсутствия непосредственного риска, установить режим мониторинга развития опасности на участках высоких категорий – например, подводных переходов. Дистанционная диагностическая техника обладает высокой точностью, что гарантирует максимальную эффективность обследований (декларируемую в %). Подобный контроль качества позволяет обоснованно выбрать лучших подрядчиков при организации тендерных торгов – на основе подходов ISO 2001-2015, рационально подойти к планированию ремонтных работ; оптимизировать объемы экономических затрат на техобслуживание объектов трубопроводной инфраструктуры.