RU2715077C2 - Method of low-temperature local loading of oil-and-gas pipeline with acoustic-emission method of non-destructive testing - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: use: for low-temperature local loading of oil-and-gas pipeline section with acoustic-emission method of non-destructive testing. Summary of invention consists in the fact that section of oil and gas pipeline is selected for conducting acoustic emission monitoring, where two acoustic emission converters are installed, wherein the distance between them is determined by the technical characteristics of the acoustic emission system and standard documents, local elastic deformation of the oil and gas pipeline is created between them, acoustic emission signals are recorded, by parameters of which presence of defect in material and welded joints of oil and gas pipeline is determined, wherein creation of elastic deformation of local section of oil and gas pipeline is achieved due to low-temperature cooling of surface of this section with solid carbon dioxide, due to sublimation of solid carbon dioxide at minus 72 °C.

EFFECT: technical result is higher reliability of detecting defects and efficiency of non-destructive inspection in acoustic-emission method of diagnosing oil and gas pipelines, as well as providing fire safety and safety for human health.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю изделий акустическими, электромагнитными и другими методами, может быть использовано для обнаружения различных дефектов в сварных соединениях и в основном металле стальных нефтегазопроводов и различных трубопроводов независимо от диаметра.The invention relates to non-destructive testing of products by acoustic, electromagnetic and other methods, can be used to detect various defects in welded joints and in the main metal of steel oil and gas pipelines and various pipelines, regardless of diameter.

Известны наиболее близкие к предлагаемому патенту аналоги:Known closest to the proposed patent analogues:

1. (Патент RU 2265817 «Способ контроля технического состояния резервуаров». Автор(ы): Харебов В.Г. (RU), Лещенко В.В. (RU), Винокуров В.И. (RU). Опубликовано: 10.12.2005). Суть метода состоит в том, что при контроле технического состояния резервуара, например, типа РВС (резервуар вертикальный стальной), при акустико-эмиссионном (АЭ) обследовании на внешнюю поверхность стенки резервуара устанавливаются акустико-эмиссионные датчики, необходимое количество и схема расстановки которых определяется геометрическими размерами резервуара и акустическими свойствами конкретного объекта контроля. Нагружение резервуара осуществляется путем налива жидкости (вода, продукт хранения). Во время нагружения регистрируются и локализуются зоны с так называемыми источниками акустической эмиссии (ИАЭ), которые могут быть связаны с дефектами металла (развивающиеся дефекты в сварных швах и основном металле, зоны коррозионных поражений и места протечек в стенках и днище резервуара). Определение координаты источников АЭ осуществляется по разности времен прихода акустической волны от одного источника АЭ на разные датчики;1. (Patent RU 2265817 “Method for monitoring the technical condition of tanks.” Author (s): Kharebov V.G. (RU), Leshenko V.V. (RU), Vinokurov V.I. (RU). Published: 10.12. 2005). The essence of the method is that when monitoring the technical condition of the tank, for example, like PBC (vertical steel tank), during acoustic emission (AE) examination, acoustic emission sensors are installed on the external surface of the tank wall, the required number and arrangement of which is determined by geometric tank dimensions and acoustic properties of a particular control object. The loading of the tank is carried out by pouring liquid (water, storage product). During loading, zones with so-called sources of acoustic emission (IAE) are recorded and localized, which can be associated with metal defects (developing defects in welds and base metal, zones of corrosion damage and places of leaks in the walls and bottom of the tank). The coordinates of the AE sources are determined by the difference in the times of arrival of the acoustic wave from one AE source to different sensors;

Недостаток: Низкая производительность контроля с учетом нагружения наливом или сливом жидкости. Полнота выявления ИАЭ и точность определения их координат на днище существенно зависят от диаметра контролируемого резервуара. Это в первую очередь касается центральных областей днища, т.к. акустический сигнал от дефекта сильно затухает с увеличением расстояния от ИАЭ до датчиков, расположенных по периметру резервуара. Таким образом, сигнал ИАЭ может быть либо вообще не услышан, либо для него не выполнится условие антенны и его координата не будет определена. Также недостатком является то, что при больших размерах антенн возможно появление ложных локаций в результате неправильного объединения АЭ системой не связанных между собой акустических сигналов внутри антенны, например, объединения шумовых сигналов. Низкая достоверность обнаружения дефектов, в связи с возникновением акустических помех при перекачивании большого объема жидкости;Disadvantage: Low control performance, taking into account loading in bulk or discharge of liquid. The completeness of the detection of IAE and the accuracy of determining their coordinates on the bottom substantially depend on the diameter of the controlled tank. This primarily applies to the central areas of the bottom, as the acoustic signal from the defect strongly attenuates with increasing distance from the IAE to sensors located around the perimeter of the tank. Thus, the IAE signal may either not be heard at all, or the antenna condition will not be fulfilled for it and its coordinate will not be determined. Also, the disadvantage is that with large antenna sizes, false locations may occur as a result of incorrect AE combining by a system of unconnected acoustic signals inside the antenna, for example, combining noise signals. Low reliability of defect detection, due to the occurrence of acoustic noise when pumping a large volume of liquid;

2. (Патент RU 2534448 С1 «Способ контроля зоны термического влияния сварных соединений». Автор(ы): Лебедев Евгений Леонидович (RU), Храмков Александр Александрович (RU). Опубликовано: 27.11.2014 Бюл. №33). Суть изобретения заключается в локальном нагреве от внешнего источника исследуемой области сварного соединения с одновременным регистрированием возникающих при этом АЭ сигналов, инициированных движением дислокаций. Оценивание размера зоны термического влияния и контроль структурного состояния конструкционного материала в ней осуществляется при анализе значения энергии данных сигналов;2. (Patent RU 2534448 C1 “Method for controlling the heat affected zone of welded joints.” Author (s): Evgeny Leonidovich Lebedev (RU), Aleksandr Aleksandrovich Hramkov (RU) Published: November 27, 2014 Bull. No. 33). The essence of the invention lies in local heating from an external source of the studied area of the welded joint with the simultaneous registration of arising from this AE signals initiated by the movement of dislocations. Assessing the size of the heat-affected zone and controlling the structural state of the structural material in it is carried out when analyzing the energy values of these signals;

Недостаток: Данный изобретение подходит только для контроля процесса термического соединения элементов и в основном используется только в лабораторных условиях. При использовании данного изобретения для контроля действующих опасных производственных объектов, на примере РВС для хранения нефтепродуктов, возможна высокая вероятность воспламенения испаряемых паров;Disadvantage: This invention is only suitable for monitoring the process of thermal bonding of elements and is mainly used only in laboratory conditions. When using this invention to control existing hazardous production facilities, for example, RVS for storing petroleum products, a high probability of ignition of the vaporized vapor is possible;

3. (Патент SU 1587438 А1 «Способ обнаружения дефектов в изделиях». Автор(ы): Эвина Тамара Яковлевна, Бигус Георгий Аркадьевич, Борщевская Диана Георгиевна, Переверзев Евгений Семёнович. Опубликовано: 23.08.1990 г. Бюл. №31). Суть изобретения заключается в раскрытии поверхностных дефектов механическим нагружением изделия и уменьшения АЭ бездефектного материала предварительным локальным охлаждением поверхности. Изделие нагружают, локально охлаждают, наносят пенетрат и охлаждают повторно. При охлаждении образца регистрируют АЭ и по параметрам двух охлаждений судят о качестве изделий. Недостаток: При нагружении конструкции механическими способами существует высокая вероятность возникновения акустических помех. Также себестоимость изобретения значительно повышается за счет использования специальной нагружающей механическим способом аппаратуры. Целью изобретения является повышение выявляемости различных дефектов сварных соединений основного металла нефтегазопроводов и повышение производительности АЭ диагностирования. Суть изобретения заключается в создании упругого деформирования контролируемой области нефтегазопровода путем локального охлаждения его поверхности. Например, на среднюю часть контролируемого участка подводится низкотемпературная энергия, получаемая в результате воздействия на поверхность локального участка трубопровода твердого диоксида углерода СО₂ «Сухой лед». Возникновение градиента температур в локальной зоне нефтегазопровода станет причиной образования в контролируемом участке растягивающих напряжений, что приводит к движению дислокаций на вершинах дефектов сварного соединения или основного металла, при этом движения дислокаций сопровождаются акустическими импульсами. Путем измерения энергии, длительности акустических импульсов и измерения разности времени прихода акустических сигналов на два пьезоакустических преобразователя, определяются координаты поперечного сечения трубопровода с дефектами и оценивается их степень опасности.3. (Patent SU 1587438 A1 “Method for the detection of defects in products.” Author (s): Evina Tamara Yakovlevna, Bigus Georgy Arkadevich, Borschevskaya Diana Georgievna, Pereverzev Evgeny Semenovich. Published: 08/23/1990 Bul. No. 31). The essence of the invention is to disclose surface defects by mechanical loading of the product and reduce the AE of a defect-free material by preliminary local cooling of the surface. The product is loaded, locally cooled, penetrate and re-cooled. When the sample is cooled, AE is recorded and the quality of the products is judged by the parameters of two cooling. Disadvantage: When loading the structure with mechanical methods, there is a high probability of acoustic noise. Also, the cost of the invention is significantly increased due to the use of special mechanical loading equipment. The aim of the invention is to increase the detectability of various defects in welded joints of the base metal of oil and gas pipelines and increase the performance of AE diagnostics. The essence of the invention is to create elastic deformation of the controlled area of the oil and gas pipeline by local cooling of its surface. For example, low-temperature energy is supplied to the middle part of the monitored section as a result of exposure to the surface of the local section of the pipeline of solid carbon dioxide CO ₂ “Dry ice”. The occurrence of a temperature gradient in the local zone of the oil and gas pipeline will cause the formation of tensile stresses in the controlled area, which leads to the movement of dislocations at the tops of defects in the welded joint or base metal, while the movements of the dislocations are accompanied by acoustic pulses. By measuring the energy, duration of acoustic pulses and measuring the difference in the arrival time of acoustic signals to two piezoelectric transducers, the coordinates of the cross section of the pipeline with defects are determined and their degree of danger is estimated.

Преимущество использования хладагента в виде твердого диоксида углерода перед другими видами хладагентов: безопасно для здоровья человека, пожаробезопасность, низкая скорость испарения, температура сублимации минус 72°С. Низкотемпературное воздействие станет причиной повышения в нем напряженно-деформированного состояния, как следствие возникнет упругая деформация материала, при котором в материале начнут движения дислокаций приграничных зон дефектов на кристаллическом уровне, которые будут сопровождаться акустическими импульсами.The advantage of using refrigerant in the form of solid carbon dioxide over other types of refrigerants: safe for human health, fire safety, low evaporation rate, sublimation temperature minus 72 ° С. The low-temperature effect will cause an increase in the stress-strain state in it, as a result, elastic deformation of the material will occur, in which the material begins to move dislocations of the boundary zones of defects at the crystalline level, which will be accompanied by acoustic impulses.

Способ поясняется натурным экспериментом на примере АЭ контроля с использованием низкотемпературного нагружения участка газопровода - недоступного для стопроцентного неразрушающего контроля стандартными методами. Данный обследуемый участок газопровода имеет длину 23,2 м фиг. 1 состоящих из двух одинаковых стальных электросварных трубопроводов 1, 2 (фиг. 1) соединенных между собой термическим способом 3 (фиг. 1) - ручной дуговой сваркой. Техническая характеристика и эксплуатационные параметры экспериментального участка: трубы стальные длинами по 11,6 м, продольные сварные соединения выполнены электросварным способом 4 (фиг. 1), марка стали трубопроводов 09Г2С; наружные диаметры трубопроводов 0,53 м; толщины стенок 0,007 м; расположение надземное; внутреннее давление транспортируемого газа 3,4 МПа.The method is illustrated by a full-scale experiment on the example of AE control using low-temperature loading of the pipeline section — inaccessible for one hundred percent non-destructive testing by standard methods. This examined section of the gas pipeline has a length of 23.2 m, FIG. 1 consisting of two identical steel electric-welded pipelines 1, 2 (Fig. 1) interconnected thermally 3 (Fig. 1) - manual arc welding. Technical characteristics and operational parameters of the experimental section: steel pipes with a length of 11.6 m, longitudinal welded joints made by electric welding method 4 (Fig. 1), steel grade pipelines 09G2S; outer diameters of pipelines 0.53 m; wall thickness 0.007 m; overhead location; the internal pressure of the transported gas is 3.4 MPa.

Выбор участка для контроля 5 (фиг. 1) газопровода производится по согласовании с эксплуатирующей организацией газопровода, в данном случае им является часть линейного участка газопровода протяженностью 23,2 м, построенных из стальных труб с браком продольного сварного соединения (бракованная партия). Естественно способ может быть применен и при контроле других объектов, подвергающихся периодическому контролю различными методами дефектоскопии с регистрацией сигналов контроля.The selection of the control section 5 (Fig. 1) of the gas pipeline is carried out in agreement with the operating organization of the gas pipeline, in this case it is part of the linear section of the gas pipeline 23.2 m long, constructed from steel pipes with a defective longitudinal welded joint (defective batch). Naturally, the method can be applied to the control of other objects subjected to periodic inspection by various flaw detection methods with the registration of control signals.

Настоящий способ осуществляют следующим образом.The present method is as follows.

Перед АЭ контролем проводятся основные подготовительные работы, состоящие из выбора места закладки твердого диоксида углерода 6 (фиг. 1), создания оптимальной схемы установки принимающих акустические сигналы преобразователей акустических эмиссий 7 (фиг. 1), настройки аппаратуры АЭ блока регистрации 8 (фиг. 1), настройки программы обработки получаемых акустических сигналов. В зависимости от способа прокладки газопровода и иных факторов, влияющих на затухание акустических импульсов, на основе «Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов» (ПБ 03-593-03). - СПб.: Издательство ДЕАН, 2004. - 64 с. и технических характеристик акустико-эмиссионного комплекса, подбирается оптимальное расстояние между преобразователями акустических эмиссий.Before the AE control, the main preparatory work is carried out, consisting of choosing the location for laying solid carbon dioxide 6 (Fig. 1), creating the optimal installation scheme for acoustic emission transducers of acoustic emissions 7 (Fig. 1), and setting the AE equipment of the recording unit 8 (Fig. 1) ), settings of the program for processing received acoustic signals. Depending on the method of laying the gas pipeline and other factors affecting the attenuation of acoustic pulses, based on the "Rules for organizing and conducting acoustic emission monitoring of vessels, apparatuses, boilers and process pipelines" (ПБ 03-593-03). - St. Petersburg: Publishing House DEAN, 2004. - 64 p. and technical characteristics of the acoustic emission complex, the optimal distance between the transducers of acoustic emissions is selected.

По завершении подготовительных работ, начинается закладка твердого диоксида углерода 6 (фиг. 1) на равном отдалении от двух пьезоакустических преобразователей 7 (фиг. 1) и запускается сбор данных АЭ комплексом 8 (фиг. 1). По завершении полного испарения твердого диоксида углерода прекращается сбор данных и оценивается степень опасности выявленных дефектов, и их месторасположение. При оценке степени опасности по результатам акустико-эмиссионного контроля учитываются амплитудные, интегральные, локально-динамические, интегрально-динамические критерии, основанные на анализе амплитуды и интенсивности сигналов акустической эмиссии. Обработка акустических сигналов, полученных в ходе нагружения участка газопровода, показала, что большинство зарегистрированных АЭ сигналов превышают допустимый пороговый уровень и по оценке локально динамического критерия соответствуют III классу опасности. Зафиксированные как опасные сечения трубопровода обследованы ультразвуковым дефектоскопом, в результате обнаружены несплошности плоскостного типа 9, 10, 11 (фиг. 1):Upon completion of the preparatory work, begins laying solid carbon dioxide 6 (Fig. 1) at an equal distance from the two piezoelectric transducers 7 (Fig. 1) and data collection by AE complex 8 (Fig. 1) is started. Upon completion of the complete evaporation of solid carbon dioxide, data collection is terminated and the degree of danger of the identified defects and their location are evaluated. When assessing the degree of danger according to the results of acoustic emission monitoring, the amplitude, integral, local-dynamic, integral-dynamic criteria based on the analysis of the amplitude and intensity of acoustic emission signals are taken into account. Processing of acoustic signals received during loading of the gas pipeline section showed that most of the detected AE signals exceed the allowable threshold level and, according to the assessment of the locally dynamic criterion, correspond to hazard class III. Fixed as dangerous sections of the pipeline examined by an ultrasonic flaw detector, as a result, discontinuities of the planar type 9, 10, 11 were detected (Fig. 1):

9 (фиг. 1) - Несквозная микротрещина протяженностью 0,001 м и глубиной до 0,0025 м, в основном металле ориентированная вдоль оси трубопровода. Начало микротрещины находится на 4 часа по ходу газа на отдалении 0,087 м от середины начала кольцевого сварного соединения.9 (Fig. 1) - Through microcrack length of 0.001 m and a depth of 0.0025 m, mainly oriented along the axis of the pipeline in the base metal. The beginning of the microcrack is 4 hours along the gas at a distance of 0.087 m from the middle of the beginning of the ring welded joint.

10 (фиг. 1) - Непровар в продольном сварном соединении 3 (фиг. 1) трубопровода первой секции 1 (фиг. 1) с протяженностью 0,015 м. Начало непровара, относительно начала координат измерений несплошностей, расположено на 5,13 м.10 (Fig. 1) - Lack of penetration in a longitudinal welded joint 3 (Fig. 1) of the pipeline of the first section 1 (Fig. 1) with a length of 0.015 m. The beginning of lack of fusion, relative to the origin of measurement of discontinuities, is located at 5.13 m.

11 (фиг. 1) - Непровар в продольном сварном соединении 3 (фиг. 1) трубопровода второй секции 2 (фиг. 1) с протяженностью 0,005 м. Начало непровара, относительно начала координат измерений несплошностей, расположено на 12,61 м.11 (Fig. 1) - Lack of penetration in the longitudinal welded joint 3 (Fig. 1) of the pipeline of the second section 2 (Fig. 1) with a length of 0.005 m. The beginning of lack of fusion, relative to the origin of measurement of discontinuities, is located at 12.61 m.

Таким образом, данный способ может быть использован при контроле сварных соединений и основного металла нефтегазопроводов и других трубопроводов при их эксплуатации. Эксперимент показал преимущество использования описанного способа АЭ контроля перед другими методами неразрушающего контроля, заключающийся в создании напряженно-деформированного состояния методом локального охлаждения при помощи твердого диоксида углерода СО₂ «Сухой лед». В сравнении с хладагентом в виде жидкого азота, при использовании хладагента в виде твердого диоксида углерода не возникают сторонние акустические помехи, образующиеся при кипении жидкого азота. Соответственно, повышается порог чувствительности акустико-эмиссионной системы, увеличивается достоверность обнаружения дефектов, повышается производительность контроля и снижаются экономические затраты на расходные материалы за счет использования доступного твердого диоксида углерода «Сухого льда».Thus, this method can be used to control welded joints and the base metal of oil and gas pipelines and other pipelines during their operation. The experiment showed the advantage of using the described AE control method over other non-destructive testing methods, which consists in creating a stress-strain state by local cooling using solid carbon dioxide CO ₂ “Dry ice”. Compared with a refrigerant in the form of liquid nitrogen, when using a refrigerant in the form of solid carbon dioxide, no external acoustic disturbances occur during the boiling of liquid nitrogen. Accordingly, the sensitivity threshold of the acoustic emission system is increased, the reliability of defect detection is increased, the control performance is increased, and the economic costs of consumables are reduced due to the use of available Dry Ice solid carbon dioxide.

Claims (1)

Способ низкотемпературного локального нагружения участка нефтегазопровода при акустико-эмиссионном методе неразрушающего контроля, заключающийся в том, что выбирается участок нефтегазопровода для проведения акустико-эмиссионного контроля, где устанавливаются два преобразователя акустических эмиссий, при этом расстояние между ними определяется технической характеристикой акустико-эмиссионного комплекса и нормативных документов, между ними создается локальная упругая деформация нефтегазопровода, регистрируются сигналы акустической эмиссии, по параметрам которых судят о наличии дефекта в материале и сварных соединениях нефтегазопровода, отличающийся тем, что создание упругой деформации локального участка нефтегазопровода достигается за счет низкотемпературного охлаждения поверхности этого участка твердым диоксидом углерода, за счет сублимации твердого диоксида углерода при минус 72°С, максимально исключается фиксация ложного акустического сигнала - помех.The method of low-temperature local loading of an oil and gas pipeline section with the acoustic emission method of non-destructive testing, which consists in selecting a section of the oil and gas pipeline for acoustic emission monitoring, where two transducers of acoustic emissions are installed, the distance between them is determined by the technical characteristics of the acoustic emission complex and regulatory documents, a local elastic deformation of the oil and gas pipeline is created between them, acoustic signals are recorded emission, the parameters of which judge the presence of a defect in the material and welded joints of the oil and gas pipeline, characterized in that the elastic deformation of the local section of the oil and gas pipeline is achieved by low-temperature cooling of the surface of this section with solid carbon dioxide, due to the sublimation of solid carbon dioxide at minus 72 ° С , fixation of a false acoustic signal - interference is excluded as much as possible.

Images