image

Территория Нефтегаз № 10 2016

Диагностика

01.10.2016 10:00 Бесконтактные методы выявления питтинговых дефектов стенок металлических изделий
Большинство металлов имеют склонность к коррозии, поэтому важной задачей является контроль надежности оборудования, которое в результате коррозии может разрушаться с катастрофическими последствиями. Для предотвращения последствий коррозионных процессов необходим регулярный контроль остаточной толщины Т стенок объектов. В статье рассмотрены вопросы проведения контроля толщины металлических изделий без контакта преобразователя с металлом стенок трубопроводов и нефтехранилищ с помощью основных бесконтактных методов выявления питтинговых дефектов, а именно: электромагнитно-акустического (ЭМА), метода рассеяния (вытеснения) магнитного потока Magnetic Flux Leakage и вихретокового метода измерения полей переменного тока Alternating Current Field Measurement (ACFM). Описаны особенности применения оборудования, разработанного на их базе, а также реализуемые методики контроля. Приведены также основные сравнительные технические характеристики. Рассмотрены мешающие параметры, преимущества и недостатки данных методов. Исходя из рассмотренных технических характеристик методов MFL, АСFМ и ЭМА приведена таблица, на основании которой в зависимости от особенностей применения можно выбрать оптимальный метод и подобрать конкретное оборудование.
Ключевые слова: питтинговая коррозия, электромагнитно-акустический (ЭМА) метод, метод рассеяния магнитного потока, метод измерения полей переменного тока.
Ссылка для цитирования: Шаранова Д.А. Бесконтактные методы выявления питтинговых дефектов стенок металлических изделий // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № № 10. С. 34–40.
Открыть PDF


Почти все металлоконструкции эксплуатируются в естественных природных средах. Магистральные и промысловые трубопроводы, водоводы работают в сложных условиях, что приводит к утонению стенок из-за образования зон питтинговой коррозии. Эксплуатируемые металлические мосты также подвергаются питтинговой коррозии, степень которой зависит главным образом от способов защиты и текущего содержания сооружений.

1.jpgКоррозионные повреждения, уменьшая площадь сечения элементов, снижают их нагрузочную способность и могут явиться причиной аварий.

Скорость развития коррозии зависит от химического состава металла, его обработки и защиты, разновидности агрессивной среды, влажности, температуры, напряженного состояния и др. Главным фактором возникновения и развития коррозии является увлажнение поверхности металла.

Для предотвращения последствий коррозионных процессов необходим регулярный контроль остаточной толщины Т стенок объектов. Для выявления питтинговых повреждений преимущественно применяют методы неразрушающего контроля.

Одним из основных для измерения Т является ультразвуковой вид неразрушающего контроля (УЗК). Однако у УЗ-контроля есть свои недостатки. Использование пьезоэлектрических преобразователей требует подготовки поверхности для ввода ультразвука в металл (снятия покрытия) и обеспечения шероховатости поверхности не ниже пятого класса. Для обеспечения акустического контакта на контролируемый участок изделия предварительно наносят контактные жидкости, такие как вода, масло, клейстер. При контроле вертикальных или сильно наклоненных поверхностей необходимо применять густые контактные жидкости с целью предотвращения их быстрого стекания.

Для контроля изделий с внешним диаметром менее 200 мм необходимо использовать притертые преобразователи, которые в таком виде непригодны для контроля изделий с плоскими поверхностями.

Как правило, ультразвуковая толщинометрия не может дать ответ на вопрос о реальных размерах дефекта, лишь о его отражательной способности в направлении приемника. Эти величины коррелируют, но не для всех типов дефектов. Кроме того, некоторые дефекты практически невозможно выявить с использованием ультразвуковых методов в силу их характера, формы или расположения в объекте контроля.

Практически невозможно производить достоверный ультразвуковой контроль металлов с крупнозернистой структурой из-за большого рассеяния и сильного затухания ультразвука.

Рассмотрим возможность проведения контроля стенок металлических изделий без контакта преобразователя с металлом стенки изделия, особенности их применения и основные сравнительные технические характеристики.

Бесконтактное выявление питтинговой коррозии и мест утонения стенки могут обеспечивать электромагнитно-акустический (ЭМА) метод, метод рассеяния (вытеснения) магнитного потока Magnetic Flux Leakage и вихретоковый метод измерения полей переменного тока Alternating Current Field Measurement (ACFM). Рассмотрим достоинства и недостатки этих методов применительно к рассматриваемой задаче, условиям применения и достоверности получаемой информации.

1_1.jpg 

Электромагнитно-акустический (ЭМА) метод

Действие электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМА) основано на электродинамическом и магнито-
упругом взаимодействиях. Импульсные акустические колебания возбуждаются и принимаются бесконтактным способом. За счет магнитоупругого взаимодействия происходит взаимное притяжение и отталкивание ферромагнитного материала и индукционной катушки, в которой генерируется мощный импульс тока. Электродинамическое взаимодействие возникает в токопроводящих материалах. Переменное магнитное поле возбуждает в металлической стенке объекта контроля (ОК) вихревые токи. На элемент объема ОК, в котором течет вихревой ток, действует пондеромоторная сила F, направление которой показано стрелками на рис. 1. Под действием переменной силы F элемент объема совершает колебания. В результате по нормали к поверхности распространяется ультразвуковая поперечная волна, упругие смещения которой лежат в плоскости, параллельной поверхности. Пондеромоторная сила пропорциональна произведению силы переменного тока J и магнитной индукции B. Поэтому и амплитуда упругих смещений также пропорциональна произведению JB [1].

Основные преимущества ЭМА-технологии возбуждения и приема ультразвуковых колебаний при измерении остаточной толщины стенок изделий:

• нет необходимости использования контактной жидкости, как в классических пьезоэлектрических преобразователях;

• возможность проведения измерения сквозь неметаллические покрытия толщиной до 4 мм;

• обеспечение надежного и достоверного контроля объектов с загрязненной поверхностью;

• контроль объектов при большой скорости перемещения преобразователя;

• обеспечение контроля объектов экстремальной кривизны;

• контроль объектов в условиях, имеющих низкую и экстремально низкую температуру без каких-либо ограничений.

1_2.jpg

К недостаткам метода следует отнести: сравнительно низкую чувствительность и помехозащищенность; относительную сложность оборудования.

ЭМА-метод существенно расширяет возможности ультразвукового контроля при высоких и низких температурах, шероховатой и загрязненной поверхности объектов, а также в случаях, когда контактные жидкости применять недопустимо [2]. При этом возможен сплошной сканирующий контроль с построением В-сканов поверхности (рис. 2).

1_3.jpg

 

Метод рассеяния (вытеснения) магнитного потока Magnetic Flux Leakage

Magnetic Flux Leakage (MFL) Technology – технология магнитного вида неразрушающего контроля, использующая, в соответствии с ГОСТ 24450-80, метод эффекта Холла для анализа магнитного поля рассеяния дефекта. Физический принцип метода заключается в следующем: намагничивающая система, состоящая из магнитов и магнитопровода, создает магнитный поток в объекте контроля (основной поток), при этом величина магнитной индукции такова, что расположенный в области намагничивающей системы материал объекта контроля находится в состоянии, близком к магнитному насыщению [3].

В результате локального изменения сечения материала появляется дополнительный поток рассеяния над поверхностью объекта контроля, который регистрируется интегральным преобразователем, расположенным симметрично между полюсами магнитной системы, при сканировании поверхности стенки ОК [4] (рис. 3).

Основные преимущества этого метода заключаются в том, что он позволяет обнаруживать питтинговые повреждения материала с лицевой стороны под покрытием или с внешней стороны стенки изделия (трубы, листа или сечению каната) при наличии достаточного зазора между преобразователем и ОК (до нескольких мм) и обеспечивает высокую производительность контроля. Еще одним важным преимуществом является возможность оценки глубины и размеров обнаруженных дефектов [4]. При этом существенно, что процесс обнаружения дефектов и оценки их параметров по результатам обработки данных, полученных в ходе измерения, хорошо поддается автоматизации (рис. 4).

1_4.jpg

При использовании данного метода следует учитывать, что сканирование имеет три этапа: ускорение, движение с постоянной скоростью и торможение. При расположении твердотельного чувствительного элемента перпендикулярно поверхности объекта контроля (анализе тангенциальной составляющей Нх напряженности потока рассеяния) магнитное поле вихревых токов не влияет на результаты контроля. При расположении твердотельного чувствительного элемента параллельно поверхности объекта контроля (анализе нормальной составляющей Hz напряженности потока рассеяния) магнитное поле вихревых токов влияет на результаты контроля и может вызвать погрешность измерения.

Изменение μст при сканировании будет приводить к плавному изменению Hx и Нz. Для подавления влияния Hх(μст) и Hz(μст) следует применять цифровой фильтр низких частот. Применение дифференциального включения преобразователей Холла обеспечивает эффект подавления рассматриваемых мешающих параметров [5].

Также мешающими параметрами при контроле с использованием технологии MFL являются шероховатость, волнистость (локальная неровность, сопоставимая с базой колес) и их вариация по поверхности объекта контроля.

Метод измерения полей переменного тока Alternating Current Field Measurement (ACFM)

Метод ACFM позволяет с высокой степенью достоверности выявлять и контролировать параметры плоскостных дефектов в поверхностном и подповерхностном слоях металла стенок ОК.

Протяженная обмотка WB с переменным током возбуждает непосредственно под собой в электропроводящем полупространстве однородное электромагнитное поле, где в соответствии с принципом зеркального отображения вихревой ток будет практически линеен (рис. 5а). При нахождении обмотки над линейным дефектом (например, ручейкового коррозионного повреждения), направление которого совпадает с осью обмотки, произойдет искажение картины вихревых токов (рис. 5б) и картины результирующего магнитного поля [5].

В качестве информативного параметра преобразователя принято использовать амплитуды составляющих (проекций) Вz и Вх вектора магнитной индукции.

В отсутствие дефекта линейный вихревой ток протекает в направлении оси Y, а магнитное поле однородно и направлено по оси X.

В случае наличия дефекта на поверхности объекта контроля наблюдается «разрыв» линий электрического поля. Напряженность электрического поля уменьшается в центре дефекта и увеличивается вблизи его краев. Вихревой ток будет огибать дефект по краям. Вследствие этого при перемещении точки наблюдения вдоль дефекта к его середине наблюдается уменьшение составляющей Вх. Это уменьшение пропорционально глубине дефекта, а минимальное значение Вх соответствует максимальной глубине дефекта [5, 6].

Основными преимуществами метода являются:

• возможность инспекции без предварительной очистки поверхности объекта;

• простота работы и установки прибора;

• возможность вычисления глубины линейного дефекта;

• падение напряжения воздействующего поля по мере удаления зонда от объекта очень незначительно, поэтому отклонения в показаниях прибора сводятся к минимуму;

• данная технология не требует калибровки для измерения размеров линейных дефектов [6].

Основным недостатком метода является то, что многократные дефекты уменьшают способность оценить глубину дефекта.

Однако на данный момент этот метод применяется только за рубежом для решения ограниченного ряда задач. Это объясняется, в том числе, и недостаточной проработкой методической и нормативно-технической базы. В частности, отсутствуют стандарты на сам метод ACFM и средства его метрологического обеспечения.

Каждый из перечисленных выше методов имеет свои достоинства и недостатки. Однако, чтобы обеспечить возможность проведения сплошного контроля остаточной толщины стенки ОК, что не достигается в настоящее время при использовании только УЗ-толщинометрии, применяемой практически повсеместно и регламентируемой нормативной документацией, необходимо использовать сплошной контроль, а не выборочный, который обеспечит гарантированное выявление коррозионных повреждений. Рассмотрим основные особенности описанных выше методов, приведенные в табл. 1, на основании которой в зависимости от особенностей применения можно выбрать оптимальный метод, а с использованием табл. 2–4 – конкретное оборудование.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод том, что с использованием ЭМА-преобразователей оптимально проводить локальный оперативный контроль остаточной толщины стенок изделия в районе сварных швов. На основе преобразователей, реализующих технологию MFL, следует разрабатывать системы для контроля больших площадей с высокой производительностью, а с использованием метода ACFM следует выполнять поиск коррозионных трещин малой площади или большой протяженности.

 

 Таблица 1. Сравнительные характеристики ЭМА-, MFL- и ACFM-методов диагностики

Table 1. Comparative characteristics of EMA-, MFL- and ACFM-methods of diagnostics

Основные характеристики метода

Main characteristics of the method

Электромагнитно-акустический (ЭМА) метод

Electromagnetic-acoustic (EMA) method

Метод рассеяния (вытеснения) магнитного потока (MFL)

Magnetic flux leakage (expulsion) (MFL)

Метод измерения полей переменного тока (ACFM)

Method of AC fields measurement (AC FM)

Объекты контроля

Test objects

Металлические изделия
и полуфабрикаты стальных труб, листового проката и других изделий из стали, а также алюминия и других металлов

Metal products and semi-finished steel pipes, sheet metal and other products made of steel, as well as aluminum and other metals

Металлические ферромагнитные изделия, полуфабрикаты и сварные соединения

Ferromagnetic metal products, semi-finished products and welded joints

Трубы диаметром ≥4 мм
и толщиной ≥1 мм

Pipes with diameter ≥4 mm and thickness of ≥1 mm

Типы обнаруживаемых дефектов

Types of detected defects

Поверхностные
и подповерхностные питтинговые и плоскостные коррозионные повреждения, трещины, волосовины, заковы, закаты, включения, флокены

Surface and sub-surface pitting and planar corrosion damages, cracks, fine cracks, forging folds, backfins, inclusions, flakes

Поверхностные и подповерхностные (на глубине до 2–3 мм) питтинговые или плоскостные коррозионные повреждения стенок изделий, продольные или поперечные разрывы или трещины, дефекты продольных сварных швов

Surface and sub-surface (at a depth of 2–3 mm) pitting or corrosion planar damages of products walls, longitudinal or transverse fractures or cracks, defects of longitudinal welds

Метод ACFM позволяет обнаружить поверхностные
и подповерхностные дефекты

ACFM method allows detection of surface and subsurface defects

Диапазон измерения

Measurement range

Диапазон измеряемых толщин: для стали – 1–60 мм; для алюминия – 0,7–100 мм

Thickness measurement range: Steel – 1–60 mm; aluminum – 0.7–100 mm

Диапазон толщины до 20 мм. Максимальная толщина покрытия – 6 мм

Thickness range up to 20 mm. Maximum coating thickness – 6 mm

Поверхностные
и подповерхностные дефекты

Surface and subsurface defects

Зазор

Clearance

До 4 мм

Up to 4 mm

10 мм

10 mm

Таблица 2. Электромагнитно-акустический (ЭМА) метод

Table 2. Electromagnetic-acoustic (EMA) method

Технические характеристики

Specifications

Электромагнитно-акустический толщиномер А1270

Electromagnetic-acoustic thickness gage A1270

Толщиномер EM1301

Thickness gage EM1301

мини-ЭМА-толщиномер EM2210

Mini-EMA-thickness gage EM2210

Портативный ЭМА-толщиномер NKD-019E

UltraSonic Portable EMA-thickness gage NKD-019E UltraSonic

Функциональные возможности

Functionality

• Проведение измерений без предварительной подготовки поверхности и без контактной жидкости

Measurements without prior surface preparation and without contact liquid

• Измерение толщины металлических изделий
через коррозионное
и лакокрасочное покрытие толщиной до 1,5 мм

Measurement of metal products thickness through corrosion and paint coating up to
1.5 mm thick

• Малая апертура ЭМА-преобразователя (8 мм) позволяет проводить контроль труб малого диаметра
(от 15 мм)

Low aperture of EMA-converter (8 mm) allows for small-diameter tubes (15 mm) testing

• Возможность работы со стробами

Ability to work with strobes

• Толщиномер имеет высокое соотношение сигнал/шум, благодаря чему повышена надежность работы при больших зазорах

Thickness gage has
a high signal/noise ratio, allowing greater reliability of operation with large clearances

• Подключение планшета, смартфона или другого устройства

Tablet, smartphone or other device connection

•На показания прибора слабо влияет перекос

Misalignment has little effect on the readings

• Измерение параметров объектов экстремально высокой и очень низкой температурой поверхности

Measurement of objects parameters with extremely high and very low surface temperature

• Измерения можно проводить через изоляционные покрытия

Rough surface does not create obstacles to the correct measurements

• Шероховатая поверхность не создает препятствий для корректных измерений

Measurements can be carried out through the insulation coating

Диапазон измеряемых толщин, мм

Thickness measurement range, mm

0,5–50

Для стали 1–60

For steel 1–60

Для стали 2–60

For steel 2–60

1,5–100

Диапазон частот преобразователя, МГц

Transducer frequency range, MHz

2,5–5,0

3–5

3–5

4

Погрешность измерения остаточной толщины

Accuracy of residual thickness measurement

±(0,5 % + 0,01/0,1)

±0,04 мм

±0,04 mm

±0,04 мм

±0,04 mm

±0,01 мм

±0,01 mm

Диапазон зазора между датчиком и ОК, мм

Clearance range between the sensor and TO, mm

До 2

Up to 2

До 3

Up to 3

До 2

Up to 2

До 4

Up to 4

Передача данных на ПК

Data communication to a PC

Через USB

Through USB

Через Wi-Fi или USB

Through Wi-Fi or USB

Через USB

Through USB

-

Таблица 3. Метод рассеяния (вытеснения) магнитного потока (MFL)

Table 3. Magnetic flux leakage (expulsion) (MFL)

Технические характеристики

Specifications

Silverwing Handscan MFL –
мини-сканер плоских пластин

Silverwing Handscan MFL – mini scanner of flat plates

Silverwing MFLi3000 – промышленный сканер днищ резервуаров

Silverwing MFLi 3000 – industrial scanner of tank bottoms

Silverwing MFL 2000 –
высокоскоростной сканер обнаружения коррозии днища резервуаров

Silverwing MFL 2000 – high-speed scanner for tank bottom corrosion detection

Магнитный дефектоскоп MFL10

Magnetic flaw detector MFL 10

Функциональные возможности

Functionality

• Постоянные магниты последнего поколения

Permanent magnets of the last generation

• Быстрый и экономичный контроль

Fast and efficient testing

• Простая в использовании эргономичная конструкция

Easy-to-use ergonomic design

• Простота в эксплуатации. Например, при подключении по USB система определяет дефектоскоп как внешний накопитель информации

Easy to operate. For example, when connected via USB, the system determines flaw detector as an external data storage device

• Практически мгновенная готовность системы к работе

Instantaneous system availability

• Легкий блок электроники, работающий на отдельной батарее

Light electronics module running on a separate battery

• Простое в использовании и экономичное средство проверки

Easy-to-use and cost-effective testing tool

• Система автоматического обнаружения дефектов

Automatic defects detection system

• Быстрая и экономичная проверка

Fast and cost-effective verification

• Простая в использовании эргономичная конструкция

Easy-to-use ergonomic design

• Система автоматического обнаружения дефектов

Automatic defects detection system

Диапазон измерения толщины, мм

Thickness measurement range, mm

До 15

Up to 15

До 20

Up to 20

Детекторы, кол-во датчиков Холла

Detectors, number of Hall sensors

18

256

36

Датчики Холла

Hall sensors

Скорость, м/с

Speed, m/sec

0,5

0–5

Максимальная толщина покрытия, мм

Maximum coating thickness, mm

6

2

Ширина сканирования, мм

Scanning width, mm

150

300

300

180

Время непрерывной работы, ч

Continuous operation time, h

10

3

10

12

Диапазон рабочих температур, °С

Operating temperature range, °C

–30…55

0…50

Таблица 4. Метод измерения полей переменного тока (ACFM)

Table 4. Method of AC fields measurement (AC FM)

Технические характеристики

Specifications

Система неразрушающего контроля сварных швов ACFM Amigo

Nondestructive test system of welds ACFM Amigo

Подводная система неразрушающего контроля сварных швов ACFM U31-D

Underwater nondestructive test system of welds ACFM U31-D

Функциональные возможности

Functionality

  • Становится возможным аналитическое моделирование воздействия дефектов на поле. Это позволяет определить размеры дефекта только по показаниям датчика вблизи дефекта

    Analytical modeling of the impact of defects on the field becomes possible. It allows determination of the size of the defect only by the sensor readings near a defect

  • Резкие изменения проницаемости или проводимости (например, в сварном шве) очень мало влияют на показания датчиков, поскольку направление тока можно сделать нормальным к поверхности раздела

    Sudden changes in permeability or conductivity (e.g., weld) have very little effect on the sensor readings, since the current direction can be made perpendicular to the interface

  • Изменения полного сопротивления катушки датчика при удалении от инспектируемой поверхности относительно невелики, поскольку как напряженность входного поля, так и результирующие сигналы от дефекта ослабляются гораздо в меньшей степени при использовании однородного входного поля

    Sensor coil impedance changes with at the distance from the inspected surface are relatively small, since both the input field strength, and the resulting signals of a defect are attenuated in a much lesser degree when using a uniform input field

Массив сенсоров

Sensors package

16 каналов (8 пар сенсоров) плюс кодировщик данных

16 channels (8 pairs of sensors) plus data encoder

Диапазон измерения толщины, мм

Thickness measurement range, mm

До 15

Up to 15

До 10

Up to 10

Максимальная толщина покрытия, мм

Maximum coating thickness, mm

До 10

Up to 10

До 5

Up to 5

Время непрерывной работы, ч

Continuous operation time, h

10

6

Диапазон рабочих температур, °С

Operating temperature range, °C

–20…40



← Назад к списку


im - научные статьи.