Анализ методов дефектоскопии магистральных трубопроводов и перспективы их развития

Основным способом транспортировки нефтепродуктов в России являются магистральные трубопроводы. Общая протяженность магистральных трубопроводов России оценочно составляет 217 тыс. км, включающая в себя нефтепроводы, газопроводы и продуктопроводы. Трубопроводы имеют сложную конструкцию, на которую в процессе эксплуатации воздействуют внутренние и внешние силы. В связи с этим дефектоскопия играет немаловажную роль для безаварийной эксплуатации.

В процессе эксплуатации трубопроводов углеводородного сырья на трубы воздействует множество факторов, влияющих на их целостность. Существует множество причин, которые могут вывести из строя трубопровод: несовершенство при проведении проектировочных работ; заводской брак; брак при строительно-монтажных работах; эксплуатация трубопровода, не соответствующая техническим характеристикам; старение материалов трубопровода; незаконные врезки и внешние механические воздействия.

Анализ данных Ростехнадзора за 2022 год показал, что на объектах магистрального трубопроводного транспорта и подземного хранения газа произошло 7 аварий.

Таблица 1. Распределение аварий по видам аварий на ОПО в 2021–2022 годах

Table 1. Distribution of accidents by type of accident at hazardous facilities in 2021–2022

Виды аварий	Количество аварий
	2021 г.	2022 г.	+/-
Повреждение при проведении работ в охранной зоне	-	-	-
Неисправность и износ оборудования	6	6	-
Ошибки персонала	-	1	+1
Чрезвычайная ситуация природного характера	-	-	-
Брак сварочно-монтажных работ	-	-	-
Всего:	6	7	+1

Расследования наиболее крупной аварии показали, что разгерметизация трубопровода произошла в области коррозионного повреждения. Экономический ущерб от аварии составил 205 млн 623 тыс. руб. Для минимизации рисков возникновения подобных аварий необходимо своевременное проведение исследований трубопроводов.

Дефектоскопия магистральных трубопроводов является важным аспектом производственного процесса транспортировки углеводородного сырья. Она позволяет оценить состояние трубы, определить отклонения, предотвращая поломки на начальной стадии.

Основная часть

Методы диагностики магистральных трубопроводов можно разделить на два типа: разрушающий и неразрушающий (рис. 1) [1].

Разрушающий контроль включает гидравлические испытания трубопровода под давлением и механические испытания отдельных металлических сегментов трубопровода.

Неразрушающий контроль основан на использовании физических методов для проверки качества без воздействия на структуру трубопровода и включает визуально-измерительный контроль (ВИК), контроль проникающими веществами (КПВ), магнитный контроль (МК), электромагнитный контроль (ЭМК), ультразвуковой контроль (УЗК), радиационный контроль (РК), тепловой контроль (ТК).

Визуально-измерительный контроль магистральных трубопроводов представляет собой неразрушающий метод диагностики, позволяющий выявлять поверхностные дефекты труб,

Рис. 1. Классификация методов диагностики магистральных трубопроводов и их объектов

Fig. 1. Classification of methods for diagnosing main pipelines and their facilities сварных швов без нарушения целостности конструкции, проверять геометрические параметры трубопровода.

Визуально-измерительный контроль осуществляется как на отдельных объектах магистральных трубопроводов, так и при обследовании протяжённых участков магистральных трубопроводов.

При выполнении контроля осуществляется визуальный осмотр, в ходе которого выявляются дефекты и неоднородности, выходящие на поверхность трубы, после чего осуществляется измерение выявленных дефектов.

Ограничениями метода визуально-измерительного контроля являются:

• 1.    Зависимость от человеческого фактора: велика вероятность пропуска микротрещин и дефектов в скрытых местах;

• 2.    Выявление только поверхностных дефектов;

• 3.    Необходим прямой доступ к трубопроводу.

Метод контроля проникающими веществами представляет собой неразрушающий метод контроля, основанный на явлении капиллярной активности. Данный метод предназначен для обнаружения поверхностных дефектов трубы.

Дефектоскопия выполняется следующим образом: сначала производится тщательная очистка поверхности, подлежащей исследованию. Затем на неё обильно наносят индикаторную жидкость. После того как жидкость высохнет, её удаляют, а поверхность просушивают. Для визуализации дефектов на поверхность наносят проявитель, в результате чего в местах повреждений формируются характерные цветовые изменения, соответствующие форме дефекта.

Данный метод дефектоскопии позволяет определять дефекты менее 1 мкм, при том что технология выполнения метода контроля позволяет получать результаты в полевых условиях на месте выполнения работ [2].

Ограничениями метода контроля проникающими веществами являются:

• 1.    Опасность индикаторной жидкости, для выполнения работ необходимы специальные средства индивидуальной защиты;

• 2.    Необходим прямой доступ к трубопроводу;

• 3.    Возможно определение только поверхностных дефектов;

• 4.    Требуется качественная подготовка исследуемой поверхности.

Метод контроля проникающими веществами проводится как на отдельных объектах магистральных трубопроводов, так и при обследовании протяжённых участков магистральных трубопроводов. Контроль осуществляется оператором-дефектоскопистом при помощи портативных приборов.

Магнитный контроль магистральных трубопроводов представляет собой неразрушающий метод контроля, основанный на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающего в местах выявления дефекта. Метод работает для исследования трубопроводов из ферромагнитных материалов [3].

В процессе исследования осуществляется намагничивание стенки трубопровода при помощи постоянных магнитов. Различают две технологии намагничивания трубопровода: продольное или поперечное. На участках трубопровода без дефектов магнитный поток сохраняет свою стабильность. Однако в местах, где имеются дефекты, нарушение целостности трубы – 67 –

Таблица 2. Виды магнитного контроля магистральных трубопроводов и их объектов

Table 2. Types of magnetic control of main pipelines and their facilities

Критерии Метод магнитной проницаемости Магнитопорошковый метод Принцип выполнения Основан на регистрации рассеяния магнитного потока в стенке трубы, происходящего в зоне поверхностных и подповерхностных дефектов Основан на притяжении частиц магнитного индикатора к поверхностным дефектам. Исследуемый интервал трубы намагничивают, затем покрывают магнитным порошком, порошок оседает в местах дефектов Особенности Позволяет обнаружить нарушения целостности металла трубы Позволяет обнаружить нарушения сплошности трубы. Позволяет наглядно оценить результат приводит к концентрации магнитного поля, которое выходит за пределы трубопровода и распространяется в окружающую среду.

Для обследования магистральных трубопроводов с применением магнитного контроля используются различные виды диагностики (табл. 2). Они отличаются по своему принципу действия. В зависимости от специфики применения могут использоваться разные подходы для выявления повреждений и нарушений целостности труб.

Эффективность магнитной диагностики магистральных трубопроводов может снижаться из-за неоднородной или недостаточной намагниченности исследуемых участков труб. Это напрямую влияет на качество определения дефектов. Для проведения диагностики применяются как внутритрубные, так и портативные диагностические устройства.

Электромагнитный контроль основан на использовании электромагнитных полей, которые взаимодействуют с поверхностью трубы, изменяя её магнитные характеристики в зависимости от целостности конструкции трубопровода.

В ходе исследования электромагнитное поле направляется на поверхность трубы. При наличии дефектов происходит изменение характеристик магнитного потока, которое фиксируется с помощью специализированных датчиков.

Вихретоковый метод дефектоскопии – один из эффективных способов электромагнитного контроля состояния магистральных трубопроводов.

Этот метод позволяет обнаруживать как поверхностные, так и подповерхностные дефекты в трубопроводах, изготовленных из токопроводящих материалов. С его помощью можно своевременно выявлять трещины, коррозию, зоны усталостного разрушения материала, а также оценить толщину изолирующего покрытия трубопровода.

Вихретоковый контроль состоит из нескольких этапов. Сначала производится подготовка объекта исследования, включающая очистку поверхности трубы от различных загрязнений. Затем начинается сам процесс контроля с использованием вихретокового преобразователя. Устройство оснащено одной или несколькими катушками, через которые пропускается синусоидальный или импульсный электрический ток. Под воздействием электромагнитного поля катушек в исследуемом проводящем материале возникают вихревые токи. При наличии дефектов происходит нарушение их нормального распространения. Это позволяет получить данные о характеристиках объекта и выявить возможные дефекты или неоднородности структуры.

Для проведения диагностики применяются портативные диагностические устройства.

Вихретоковый контроль магистральных трубопроводов имеет свои ограничения, обусловленные спецификой метода [4]:

– Современные вихретоковые дефектоскопы в основном могут обнаруживать дефекты на глубине не более 2 мм, что ограничивает глубину эффективного контроля.

– Метод неприменим для обследования участков с неоднородными электрическими характеристиками.

– Вихретоковый контроль неэффективен при выявлении дефектов, содержащих проводящие частицы.

Ультразвуковой контроль магистральных трубопроводов представляет собой неразрушающий метод диагностики, позволяющий выявлять внутренние и поверхностные дефекты трубы без нарушения целостности конструкции. Целью метода является оценка состояния трубы, сварных соединений и описание выявленных дефектов. Выявляемые дефекты трубопровода: трещины, коррозии, непровары, поры и др.

Технология ультразвукового контроля дефектов основывается на принципе отражения ультразвуковых волн от различных нарушений целостности стенок труб. Ключевым элементом системы является пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП), который выполняет функцию преобразования переменного электромагнитного поля в акустический сигнал. Этот сигнал, достигнув дефекта, отражается и возвращается к преобразователю, где снова превращается в электрический сигнал. Определение местоположения дефекта осуществляется по времени, которое затрачивается акустической волной на прохождение определённого расстояния. Размер дефекта оценивается по амплитуде отражённого импульса: более крупные дефекты создают более интенсивные отражённые сигналы. Таким образом, анализируя время распространения и амплитуду отражённого сигнала, можно точно определить как местоположение, так и размеры дефекта в стенке трубы.

При обследовании трубопроводов ультразвуковым методом применяются различные виды диагностики, среди которых: эхо-импульсный метод, теневой метод, метод с использованием волн Лэмба (табл. 3). Эти методы различаются как по принципу работы, так и по специфике выявляемых дефектов. Каждый из них имеет свои особенности и применяется в зависимости от характера и расположения повреждений в трубопроводе [5].

Среди ограничений ультразвуковой дефектоскопии можно выделить следующие:

• 1.    Трудности при диагностике труб, изготовленных из неоднородных или крупнозернистых металлических сплавов;

• 2.    Необходимость предварительной подготовки участка трубопровода перед проведением диагностики, включая очистку от загрязнений;

• 3.    Помехи от внешних электромагнитных наводок, влияющие на качество получаемых сигналов;

• 4.    Относительно высокая стоимость проведения диагностики.

Ультразвуковая дефектоскопия осуществляется с использованием двух типов оборудования: внутритрубных дефектоскопов и портативных устройств.

Радиационный контроль магистральных трубопроводов представляет собой неразрушающий метод контроля, основанный на регистрации и анализе ионизирующего излучения после взаимодействия с исследуемым участком.

Таблица 3. Виды ультразвуковых методов дефектоскопии магистральных трубопроводов

Table 3. Types of ultrasonic methods for defectoscopy of main pipelines

Критерии	Эхо-импульсный метод	Теневой метод	Метод с помощью волн Лэмба
Принцип выполнения	Основан на подаче акустического импульса и измерении эхо-сигнала	Основан на уменьшении амплитуды ультразвуковых колебаний, прошедших от источника к приемнику. Чем больше размер дефекта, тем меньше амплитуда прошедшего сигнала. Источник и приемник располагаются противоположно поверхности исследуемого материала	Источниками являются несколько ПЭП импульсов ультразвуковых волн Лэмба, их прием осуществляется также несколькими ПЭП. Замеры выполняются несколько раз на неповрежденном участке, далее замеры выполняются на поврежденном участке, и путем сравнения возмущенного волнового поля определяются участки повреждения
Особенности	Позволяет обнаружить поверхностные и глубинные дефекты с различной ориентированностью в стенке трубы; По времени и амплитуде поступившего эхо-сигнала определяются глубина залегания дефекта и его ориентировочный размер	Позволяет обнаруживать наклонные дефекты, не дающие прямого отражения при эхо-импульсном методе	Позволяет обнаруживать дефекты в металлах и композитных материалах

В процессе исследования рентгеновские лучи проникают через проверяемый участок металлической трубы и достигают детектора, роль которого выполняет рентгеновская плёнка. Если в трубе имеется дефект, на плёнке появится светлое пятно [6].

В зависимости от используемого источника ионизирующего излучения радиационный метод подразделяется на два вида – рентгенографический и гаммаграфический.

• 1.    Рентгенографический метод использует рентгеновское излучение, которое генерируется с помощью рентгеновской трубки. Регистрация происходит с помощью детектора. Этот метод применяется для определения дефектов в стальных трубах толщиной до 80 мм.

• 2.    Гаммаграфический метод использует гамма-излучение, которое образуется в результате внутриатомного распада радиоактивных веществ. В качестве источника гамма-излучения применяют тулий-170, иридий-192, цезий-137, кобальт-60. Этот метод применяется для определения дефектов в металлических трубах толщиной до 60 мм. Чувствительность гаммаграфического метода ниже чувствительности рентгенографического [7].

Радиационная дефектоскопия магистральных трубопроводов обладает техническими и нормативно-правовыми ограничениями. Технические ограничения метода зависят от используемого источника ионизирующего излучения и толщины исследуемого металла трубы. При работе с гамма-дефектоскопами необходимо учитывать срок службы источников излуче-– 70 – ния, так как интенсивность снижается со временем, и два одинаковых источника, заряженных в разное время, будут иметь разную активность.

На показания гамма-дефектоскопов влияет вещество, которое транспортируется по трубопроводу. Согласно стандартам, при энергии 0,015 МэВ линейный коэффициент ослабления воды составляет 1,64 см ^-1 , а воздуха – 2*10 ^–3 см ^-1 . Таким образом, вода ослабляет излучение примерно в 1000 раз сильнее, чем воздух. Учитывая плотность продукта, можно сделать вывод, что газ оказывает минимальное влияние из-за своей низкой плотности, в то время как нефть (нефтепродукты) плотнее газа и поэтому влияет сильнее.

Нормативно-правовые ограничения радиационного метода исследования связаны с обеспечением радиационной безопасности. Эти ограничения связаны с особенностями метода, влияющими на экологию, и вносят особые требования к дефектоскопистам, выполняющим исследования.

Радиационный метод дефектоскопии в классическом исполнении выполняется портативными дефектоскопами снаружи трубы, а также изнутри трубы, с применением кроулеров. Но есть и исключения, представленные в [8].

Тепловой контроль магистральных трубопроводов представляет собой неразрушающий метод, основанный на регистрации и анализе тепловых полей, возникающих из-за дефектов. Этот метод позволяет обнаруживать дефекты, оценивать качество изоляции трубопроводов и определять скрытые врезки.

Тепловой контроль проводится как с помощью портативных приборов, предназначенных для проверки отдельных участков трубопровода, так и посредством дистанционных тепловизоров, используемых для осмотра протяжённых участков (табл. 4) [9].

Дистанционная диагностика протяженных участков трубопровода включает облёт и съёмку участка трубопровода в видимом и инфракрасном спектрах на маловысотном летательном аппарате, таком как дирижабль, оснащённый тепловизионным комплексом высокого разрешения. Обработка тепловизионных изображений включает расчёт и создание трёхмерных моделей плотности теплового излучения зон прокладки трубопровода и блоково-разломных структур, а также построение горизонтальных, латеральных и вертикальных срезов и дифференциальных трансформаций этих моделей. Затем полученные данные интерпретируются, и на их основе составляются результативные карты.

Поскольку данный метод измеряет тепловое излучение, главной ограничительной особенностью является его зависимость от времени года, времени суток и гидрометеорологических условий.

Таблица 4. Характеристики тепловизионной съемки [9]

Table 4. Characteristics of thermal imaging [9]

Высота полета, м	50	100	300	500	1000
Масштаб съемки	1:50	1:100	1:300	1:500	1:1000
Разрешение по глубине, м	0.03	0.06	0.18	0.3	0.6
Максимальная глубина проникновения, м	3	6	18	30	60

Анализируя методы дефектоскопии магистральных трубопроводов (табл. 5), можно сделать вывод о том, что каждый метод имеет свою область применения и ограничения, поэтому их следует рассматривать как взаимодополняющие.

Следует обратить внимание на ограниченное число дистанционных методов диагностики, которые позволяют оперативно проводить исследования на протяженных участках трубопровода, без вмешательства в процесс транспортировки сырья. Учитывая, что в нашей стране высоко развита трубопроводная транспортировка газа, нефти и нефтепродуктов, разработка нового дистанционного метода обследования магистральных трубопроводов является важной задачей для обеспечения безопасности транспортных систем.

Для решения этой задачи специалистами Сибирского федерального университета предлагается потенциально новый метод дистанционной диагностики магистральных трубопроводов, выполняемый с применением радиолокации [10]. Диагностика магистральных трубопроводов таким методом обеспечит быстрый контроль целостности стенок труб, качества сварных соединений и обнаружение несанкционированных врезок.

Радиолокационная диагностика осуществляется путем облучения трубопровода высокочастотным электромагнитным полем.

Физическая основа такого метода диагностики заключается в измерении амплитуды и фазы отражённого радиосигнала, определяемого параметром наведенного тока в скин-слое стенок трубы. Информативными параметрами являются дефекты стенок и сварных швов, состояние изоляции, несанкционированные врезки, местоположение и глубина залегания трубопровода [11].

Радиолокатор синхронизируется по несущей частоте генератором. При появлении на выходе полосового фильтра сигнала частоты вибраций дефекта трубы, время и координаты вибраций запоминается во флэш-памяти с помощью навигационного приемника Глонасс GPS.

Создавая неоднородность в стенке трубы в виде небольшого отверстия, можно вызвать вибрацию трубы из-за истечения жидкости или газа под высоким давлением около 80 атм. В этом случае частота вибрации может быть приблизительно оценена на основе давления, скорости истечения продукта и диаметра отверстия. В районе отверстия создается зона Френеля с длиной волны порядка λ _а ≈ 2D.

Если представить дефект в виде отверстия в районе шва диаметром 10 мм, то частота вибрации, вызванной истечением струи продукта, определяется как

• V. 1500 _r

  
  

F = —— =---- = 75 кГц

2-D 2-10 ²        '

где V 3 – скорость звука в нефти.

При истечении газа эта частота снизится до 15 кГц.

Поскольку данная оценка является приблизительной, необходимо проведение прямого эксперимента для подтверждения частотных характеристик.

В отличие от внутритрубного способа дефектоскопии, предложенный дистанционный метод имеет высокую дальность и скорость обследования, при этом дистанционная радиолокационная диагностика позволяет отказаться от дополнительных трудозатрат, связанных с вмешательством в процесс перекачки углеводородного сырья.

н	d о я К и g й u ° 2 g Я и Н g О 2 ж о р ° р и н о <Й 2 а 3 ДЧ р о Ж	5 й         £ н ?      ” “ ° О Я'   Ин Н О Я      й О & и  Ми ° о 2    н н 2    К    Я S s 2 X   Ио И о s и    и   Д >^ m Ч о   ж я	за S    ЗЕ S    “ Е   S S    н <й       га о   Р S   О А С	га о m
Рн	О W Ж 3 § S м н о ш 2 о 2 я н я о и я >о о А & >о Ано	s а 5     ■         । о я о я и   g     но ° я g о    q     оо Й о Я       К      >О Я ° S    2    и      н •& Кой®  н    о 2 н 3 га а р    “ Х         н и ч я и  g 2  §52 га о о 2     5 s р в а со в р 2  М р  Oss	3S >s    а 3 и   & а   & н   а н   н р   >» .о    а С    ffl	га о й н га о Ж Рн И ° о о н ж ° а о н О S ж га р м н ^ га о о со ю ч
CO	ей Ч О И О Р О ю р н м § О И ° Й 2 П а	S              Р ,                                    । ч       5 а Д a     So 2 5 га о —    § S 2 °        2 R р га гад® а      2           р р со 3    р ч    Й 2 Рн Ж          а       п       га g 3 g g I®                Й Д 5 a g g a    s к ч S      2 °              § я § й °           й        ° и 5 2      я н я и x    я о x 2       2 ч ° u S      2 Е о и И   Н н о и о   Е н И Я и И   ffl	за 3 &    га Й   а Ж   н р    га р а     .о х  е	ч га о m
	о W Ж . й н о eq 2 ж р Я о И 2 to р 2Р Р Ю R р о	1                   6 1                       ® I о     ч ж й р          ^2 а о            о С га       Ж В р 5 £ ®      s я g “ £      S ® ° 5 § §       S                  g й °. О gas   о га                   м Я 1 И        3 s S « 5 2 & й а §            н а и      Й и с а ю 2 pi & ё о ж § н ^ m р р гч ч р    р to “ о о з     р Рн о & га U о ч   X о >. р а р  ж е ц В е	за 2 а р к	1 га га о 2 р га о Ж Рн И ° о Р н Ж О а о ч О S а га р м н ^ га о о со ю ч
	_ о а о ж а м Н О р Я g ° я >о о Я Д о Аня	о            । ~ 3       О 5 а    о ® 5 |   1 1 Е    о 5 р ю ч 2 2 Р >. ®    2 ка га to      о      н О о о s s о	।           за ^     3 &       га Й      а Ж      н р       га за ед ffl и С	ч га о m
m	о Д о Н с >> Е Е 2 3 О Ж 2 Б Р И Р S ^ Р О Р >> о аю q р к Е о	я      н 3 Я &  И 2 6 ® 2 2 о           о га о a S       S S о §55  2 ч Рн^ О в ^  5 н м ч	за 2 а р о С	। га и о й Ян я с р га о Ж Рн Ж О   О н ж о а о н О    — в га р м н ^ О О со ю ч
ffl	£ Рн ,  о га О Д о s р 2 р Н с а 2 а о ж 2 S н и р S ^ р о р о р to r а е а о	£      2 я S         g            ° 5 И          S       g О g, g и s  Я £^  «но Я          н “ U    О =Я О Й   и    5 и 5    о W & И н 5   Я о 3   “ & Я го о •& ffl и и Кеи	за 2 а р о е	। га я о и о й Ян я с р га о Ж Рн Ж О   О Ь Ж О sob Р   S а га Р eq Ь-гаг га о о со ю ч
a a Ph t) a Ри ^	w а р Рн S С я	О 1 з ¥ и и я g w О о s	ю ж о ж нн га Ж га Н п	н “ Ян ч 3 я 5 и о и

Выводы

• 1.    Современные методы диагностики магистральных трубопроводов являются уникальными и взаимодополняющими друг друга.

• 2.    Учитывая общую протяженность магистральных трубопроводов России – 217 тыс. км, разработка нового дистанционного метода диагностики магистральных трубопроводов с применением радиолокации является важной задачей для обеспечения безопасности транспортных систем.

• 3.    Дистанционная диагностика магистральных трубопроводов с применением радиолокации в сравнении с другими современными методами неразрушающего контроля обеспечит быстрый контроль целостности магистральных трасс с меньшими трудозатратами.