Технические науки/ 4. Транспорт

аспирант Венкова Ю.А., д.г.-м. н., профессор Крапивский Е.И.

г. Санкт-Петербург, Горный университет

Применение магнитных экранов для повышения точности дистанционной магнитной диагностики газонефтепроводов

Одним из важных источников разрывов магистральных стальных трубопроводов высокого давления являются аномалии металла, связанные с его напряженными состояниями [1] и коррозией. Они, как правило, проявляются в возникновении магнитных полей рассеяния и изменении остаточной намагниченности металла. Проведение мониторинга газонефтепроводов по остаточному магнитному полю позволяется производить контроль развития напряженных состояний во времени.

Измерение остаточной намагниченности металла трубопровода на практике является весьма сложной задачей, так как эти поля очень малы и нередко просто заглушаются большим полем земли, достигающим в северных широтах 50-60 мкТл. Для уменьшения влияния этого поля на результаты измерений рассмотрим возможности магнитостатического экранирования с помощью ферромагнитных материалов с низкими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы, но с высокой магнитной проницаемостью .

Отсюда следует, что первой задачей теоретических расчетов и экспериментальных исследований является выбор оптимальных условий измерений аномалий магнитного поля трубопровода (постоянного и низкочастотного переменного) феррозондом в магнитостатическом экране при максимальном коэффициенте экранирования магнитного поля перпендикулярного к магнитостатическому экрану и минимальному коэффициенту экранирования магнитного поля продольного этому экрану. Это позволит увеличить точность прибора при определении глубины заложения газонефтепровода и чувствительность к напряженным состояниям, возникающим в его стенках. Второй задачей является исследование условий дистанционного намагничения участка подземного трубопровода с поверхности с последующим измерением аномального магнитного поля этого участка.

Вопросу экранирования магнитных полей посвящено множество работ известных исследователей, среди которых, например, Реутов Ю.Я. В его работе [2] приводятся экспериментальные и расчетные данные коэффициентов экранирования цилиндрических экранов, открытых с обоих концов, и магнитных экранов, составленных из ферритовых колец. В работе было установлено, что максимального коэффициента экранирования можно достичь при использовании цилиндрических магнитных экранов с отношением толщины стенки к внутреннему диаметру равному 2-3.

На базе Горного университета были проведены эксперименты по экранированию магнитного поля. Для измерений использовался феррозондовый магнитометр PipeMaG, включающий,

- датчик градиентометрический,

- пульт градиентометра,

- поддерживающее устройство.

Датчик градиентометриеский представляет трубу из стекопластика (корпус датчика), в оконечностях которой размещены два трехкомпонентных преобразователя индукции магнитного поля НВ0302. Так же в состав прибора входят индукционная немагнитная антенна для измерения низкочастотной составляющей магнитного поля катодной защиты генератора, подключаемого к трубопроводу, цифровой измерительный прибор, память до 2 Гбит, датчики отклонения градиентометра от вертикальной оси в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях - акселерометры.

Корпус датчика заделан в термоусаживаемую трубку. На одной из оконечностей датчика размещен кабельный ввод с кабелем соединительным.

Рисунок 1 - Вид конструктивной компоновки градиентометра

1 – штатив, 2 – основание, 3,5 – шарниры, 4 – поворотный узел, 6 – отсек аккумулятора.

Структурная схема градиентометра включает структурные схемы градиентометрического датчика, пульта, а также аккумулятор источника питания. Структурная схема датчика содержит три градиентометрических канала X,Y и Z, а также двухкомпонентный акселерометрический датчик. Последний предназначен для преобразования углов отклонения оси градиентометрического датчика от вертикального положения в напряжение электрического сигнала. Каждый градиентометрический канал включает магнитоизмерительные каналы соответствующих компонент (X1 и X2 для компоненты X), расположенных в противоположных концах градиентометрического датчика.

Программное обеспечение позволяет в режиме реального времени визуализировать результаты измерений, заносить в таблицу 9 параметров магнитного поля, два параметра акселерометров и вычислять градиенты индукции магнитного поля. Кроме того предусмотрено измерение низкочастотного переменного магнитного поля (частота до 200 Гц). Осреднение результатов произвольное. Предусмотрено два типа реперов для привязки результатов измерений (профиль, пикет).

Экранирование производилось с помощью цилиндрического магнитного экрана фирмы «Гаммамет», который изготовлен из аморфного сплава с высокой магнитной проницаемостью ГМ 501. Типоразмер экрана К 72×70×500. Внешний диаметр экрана – 72 мм, толщина стенки – 1 мм. Длина цилиндрического экрана – 500 мм. В дальнейшем планируется провести измерения и с другими видами магнитных экранов.

Экран был установлен на нижний датчик и отцентрирован. Далее экран перемещался вниз, угол видимости датчика при этом уменьшался.

Рисунок 2 – Схема измерительной установки

В ходе эксперимента нами замерялись 3 векторные составляющие магнитной индукции (x,y,z) и глубина положения датчика относительно нижней кромки цилиндрического экрана.

Как видно из рисунка, при помощи тригонометрических формул несложно вычислить угол видимости прибора:

Для удобства представления данных, при переходе датчика через середину цилиндрического экрана угол видимости определяется относительно его верхней кромки. Ниже представлены графики зависимости коэффициента экранирования K_экр от угла видимости.

Коэффициент экранирования – отношение индукции однородного магнитного поля вне экрана к индукции магнитного поля внутри экрана. Он вычисляется, как:

где В – величина индукции магнитного поля снаружи экрана, мкТл

В₀ – величина магнитной индукции внутри экрана, мкТл

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента экранирования магнитного поля фона от угла видимости

На рис. 3 представлена данная зависимость для фона, то есть при отсутствии источников магнитного поля. Прибор располагался в лаборатории на высоте 60 см от уровня пола. Величина магнитной индукции поля фона вне экрана составляет 40 мкТл. Максимальный коэффициент экранирования К_экр= 13,3 достигается, когда датчик находится в середине экранирующей трубы, при этом минимальный угол видимости достигает 16ᵒ. Минимальный коэффициент экранирования равен 1.

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента экранирования магнитного поля постоянного магнита от угла видимости

Рис.4 представляет зависимость коэффициента экранирования поля постоянного магнита от угла видимости. Магнит располагался непосредственно под датчиком на расстоянии 60 см. Величина магнитной индукции поля постоянного магнита вне экрана составляет порядка 115 мкТл. При этом максимальный коэффициент экранирования при минимальном угле видимости составляет К_экр= 25,8. График не является симметричным, так как при движении экрана вниз магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, продолжает ослабляться и лишь магнитное поле фона растет при увеличении верхнего угла видимости, поэтому коэффициент экранирования при крайнем верхнем положении датчика достигает 2,6, а не 1.

Рисунок 5 – Зависимость коэффициента экранирования магнитного поля стальной трубы от угла видимости

Рис. 5 иллюстрирует экранирование магнитного поля, создаваемого стальной трубой, ось которой перпендикулярна оси Z. Труба располагалась на расстоянии 60 см от датчика. Величина магнитной индукции поля фона вне экрана составляет 80 мкТл. Как видно, график похож на предыдущий, максимальный коэффициент экранирования при наименьшем угле К_экр= 22,8. Коэффициент экранирования при крайнем верхнем положении датчика достигает 1,84.

ВЫВОДЫ

1. Для исследования малых магнитных полей необходимо экранирование магнитного поля, которое может осуществляться экранами специальной конструкции с высокой магнитной проницаемостью.

2. Существует зависимость коэффициента экранирования от величины магнитного поля. Чем больше магнитное поле источника, тем выше коэффициент экранирования этого поля.

3. Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о возможности применения цилиндрических экранов для измерения слабых магнитных полей, которые имеют место при возникновении напряженных состояний в трубопроводе.

4. При известном угле видимости измерительного прибора, экранируемого магнитным экраном, возможно более точное определение местоположение дефектов и напряженных состояний трубопровода и его глубины заложения.

Список использованных источников

1. Дубов, А.А. Диагностика стальных труб с использованием магнитной памяти металла/ А.А. Дубов – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 111с.

2. Реутов, Ю.Я. Магнитостатические экраны из ферритовых колец/ Ю.Я. Реутов// Дефектоскопия. – 1999. –№ 5. – С. 13-17.