Г.А. Бигус, д-р техн. наук

М.А. Сабреков, асп., А.Б. Счастливцев, асп МГТУ им. Н.Э. Баумана

 

Рассмотрены проблемы современного технического состояния трубопроводов тепловых сетей Норильского промышленного района. Исследовано применение метода акустической-эмиссии (АЭ) при гидравлических испытаниях трубопроводов теплосетей. Получены информативные параметры АЭ-сигналов от коррозионных повреждений стенки трубопровода.

 

Введение

 

Наиболее существенной проблемой организации качественного теплоснабжения Норильского промышленного района (НПР) на современном этапе, является существенный технический износ трубопроводов тепловых сетей. Согласно данным, приведенным в [1], доля сетей, введенных в эксплуатацию до 1988 года, составляет более 60%.

 

Рис. 1. Трубопроводы тепловых сетей, площадка УТВГС г. Норильск

 

В настоящее время происходит плановое обновление тепловых сетей. Преимущественно, перекладываются магистральные сети, выполненные надземной прокладкой. Квартальные сети не перекладывались с 1998 года. Инвестиции необходимые для реконструкции тепловых сетей оцениваются десятками миллионов рублей [1]. Планируемый прогноз прироста нагрузок на теплотрассы, приведенный на рис. 2, показывает их значительное увеличение в ближайшие годы, что неизбежно приведет к росту аварийных отказов дефектных участков трубопроводов. В тоже время, связи между ТЭЦ Норильска по тепловым сетям отсутствуют, что предъявляет повышенные требования к трубопроводам теплотрасс по надежности и живучести.

 

Рис. 2. Прогноз прироста тепловых нагрузок районов НПР [1]

 

Данные обстоятельства определяют необходимость поиска эффективных способов обеспечения эксплуатационной надежности трубопроводов теплотрасс. Ключевое направление общей стратегии обеспечения целостности эксплуатируемых трубопроводов видится в своевременной и эффективной диагностике их технического состояния [2]. Выявление дефектов конструкции трубопровода на ранних стадиях развития позволит снизить вероятность возникновения неконтролируемых катастрофических ситуаций, приводящих к сильному повреждению или полному разрушению конструкции трубопровода [3].

 

Однако на сегодняшний день ситуация такова, что техническая диагностика трубопроводов тепловых сетей включает в себя по преимуществу гидравлические испытания участков трубопровода с визуальным осмотром. В частности, в типовой инструкции по периодическому техническому освидетельствованию трубопроводов тепловых сетей в процессе эксплуатации (РД 153-34.0-20.522-99[4]) указывается – «Трубопроводы тепловых сетей при проведении периодического технического освидетельствования должны подвергаться гидравлическому испытанию в целях проверки прочности и плотности трубопроводов и их элементов, включая все сварные и другие соединения». Следует отметить, что практика данных испытаний проводится для отбраковки повышенным давлением, что позволяет повысить надежность теплоснабжения, однако, наряду с этим провоцирует дополнительную дефектность трубопроводов. Причём металл труб в ходе этих испытаний может испытывать помимо повышенного давления также и динамические удары. Для трубопроводов тепловых сетей НПР, вследствие их значительной изношенности, эти процессы могут вызвать внезапные катастрофические разрушения (рис.1).

 

Становится очевидным, что с целью предупреждения возможности неконтролируемых катастрофических разрушений дефектных участков трубопроводов теплосетей, необходимо обеспечить сопровождение гидравлических испытаний эффективными способами идентификации предаварийного состояния. Согласно требований ПБ 03-593-03 [5] в качестве сопровождающего метода при гидравлических испытаниях объектов рекомендуется использовать метод акустической эмиссии (АЭ). Акустико-эмиссионный метод основан на регистрации и анализе параметров сигналов акустической эмиссии материала контролируемого объекта, обусловленный наличием или развитием в нем дефектов. Технические возможности современных аппаратно-программных средств позволяют за одно измерение контролировать участок трубопровода до 1500 м.

 

Кроме того, магистральные тепловые сети НПР имеют надземную прокладку, что значительно упрощает вспомогательные работы при проведении АЭ-контроля, отпадает необходимость в дорогостоящих земляных работах по шурфовке участков трубопровода под установку преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ). В тоже время, применение метода АЭ при диагностировании трубопроводов тепловых сетей НПР несмотря на свою перспективность сопряжено с существенными проблемами, связанными как с особенностями самого объекта диагностирования, так и районом проведения диагностики: Во-первых, анализ отказов трубопроводов тепловых сетей показывает, что большинство аварийных ситуаций (>80 %) связано с развитием коррозионных повреждений (рис.3).

 

Рис. 3. Распределение отказов трубопроводов теплосетей по причинам [6]

 

На сегодняшний день методики обнаружения и классификации степени опасности локальных коррозионных дефектов с помощью метода акустической эмиссии отсутствуют [7]. Во-вторых, высокий уровень акустических помех от транспортируемой воды. В-третьих, трубопроводы теплосетей НПР имеют значительную протяженность, вследствие рассредоточенности на большой территории добывающих площадок и населенных пунктов. Межотопительный период, пригодный для проведения диагностики тепловых сетей в условиях Крайнего Севера ограничен только летними месяцами. Таким образом, становится актуальной разработка методик АЭ контроля, позволяющих локализовать место коррозионного повреждения и его потенциальную опасность. Кроме того, необходим поиск эффективных способов проведения АЭ диагностики трубопроводов теплосетей в условиях Крайнего севера, которые позволят выполнить диагностирование в ограниченные сроки и минимизировать материальные потери, связанные с проведением гидроиспытаний.

 

В данной работе были проведены натурные исследования, направленные на оценку возможностей метода акустической эмиссии по локализации коррозионных дефектов в действующем трубопроводе теплосети и анализ информативных параметров соответствующего акустического излучения. Методика проведения испытания. Объектом исследования был выбран типовой участок трубопровода теплосети, расположенного в районе Кайеркан, г. Норильск. Данные о трубопроводе: Ду 500 мм, сталь Ст20, толщина стенки трубы 10 мм, рабочее давление 0,6 МПа (6 кг/см2). Срок эксплуатации участка на момент исследования составлял 28 лет. Эксперимент проводился с применением акустико-эмиссионной системы Samos-24 в соответствии с методикой ПБ 03-593-03. Для контроля использовались преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) DP6I. ПАЭ располагались последовательно на верхней образующей трубопровода. Среднее расстояние между ПАЭ составляло 60 м. Общий коэффициент усиления составлял 40 дБ при уровне отсечки шумов 25-30 дБ. Нагружение трубопровода проводилось с 4 кг/см2 до 8 кг/см2, с промежуточной выдержкой на отметке 6 кг/см2 (рис. 4).

 

Рис. 4. График нагружения трубопровода

 

Результаты испытания. В течение всего цикла нагружения, на подъемах и выдержках, наблюдалось проявление источников II класса опасности, согласно ПБ 03-593-03. Место источников АЭ было установлено согласно схеме локации между 1,2 и 3 ПАЭ. (см. рис. 5)

 

Рис. 5. Диаграмма локации между ПАЭ 1-2-3

 

Следует отметить, что амплитуда источников АЭ не превышает 47 дБ, а длительность – не более 6500 мкс (см. рис. 6 - 7).

 

Рис. 6. Диаграмма амплитуды сигналов источников АЭ

 

Рис. 7. Диаграмма длительность сигналов источников АЭ После проведения испытаний участки с источниками были очищены от изоляции и проведен внешний осмотр. По результатам АЭ контроля были выявлены области с язвенной коррозией металла глубиной до 2,5 мм (рис. 8).

 

Рис. 8. Выявленные источники АЭ. Язвенная коррозия до 2,5 мм. Амплитудное распределение имеет два максимума в области малых и средних амплитуд (рис. 9). Такое поведение связанно очевидно с развитием коррозионных дефектов.

 

Рис. 9. График амплитудного распределения сигналов.

 

На рис. 10-11 показаны осциллограмма сигнала АЭ и плотность энергии от выявленных коррозионных источников.

 

Рис. 10 Осциллограмма сигнала АЭ от источника типа коррозия

 

Рис. 11 Плотность распределения энергии сигнала АЭ от источника типа коррозия

 

Выводы

 

1. Исследована технология проведения гидравлических испытаний трубопровода теплосети Норильского промышленного района, сопровождаемых методом АЭ-контроля.

 

2. Достоинством предложенного способа является повышение безопасности проведения гидроиспытаний, исключение случаев неконтролируемых разрушений участков трубопровода.

 

3. Метод АЭ позволяет выявлять основные эксплуатационные повреждения трубопроводов теплосетей – коррозия стенки трубы.

 

4. Источники типа язвенной коррозии генерируют сигналы АЭ с амплитудой не более 47 дБ и длительностью от 20 мкс до 6500 мкс.

 

5. Установлено, что амплитудное распределение от источника типа язвенной коррозии имеет два максимума в области малых и средних амплитуд.

 

6. Полученные информативные параметры АЭ-сигналов будут являться основой для объективной интерпретации акустической эмиссии от источников типа язвенная коррозия.

 

7. Проведенные исследования полезны для дальнейшей опытно-промышленной отработки АЭ контроля на трубопроводах тепловых сетей других типоразмеров, что позволит уточнить критерии оценки выявляемых коррозионных повреждений.

 

Список литературы

 

1. Схема теплоснабжения муниципального образования город Норильск на период с 2013 года до 2028 года [Электронный ресурс] / Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http://norilskty.ru/files/24690/29196/sxema_teplosn_mo_g_norilsk.pdf, свободный.

 

2. Г.А. Бигус, А.Б. Счастливцев. Алгоритм оценки развития коррозионных трещин при акустико-эмиссионном мониторинге колонных аппаратов // Сварка и диагностика. – 2014. - №4. С. 50-54.

 

3. Г.А. Бигус, Ю.Ф. Даниев. Техническая диагностика опасных производственных объектов //– М.: Наука, 2010. – 415 с.

 

4. РД 153-34.0-20.522-99 «Типовая инструкция по периодическому техническому освидетельствованию трубопроводов тепловых сетей в процессе эксплуатации».

 

5. ПБ 03-593-03 «Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов».

 

6. Труды IV Международной научно-технической конференции «Акустическая эмиссия. Роль метода в системах комплексного мониторинга технического состояния опасных производственных объектов» - Москва, 2015 – 300 с.

 

7. Кузьмин А.Н., Жуков А.В., Стюхин Н.Ф., Харебов В.Г., Аксельрод Е.Г. Акустико-эмиссионная диагностика коррозионных дефектов трубопроводов // Технадзор. – 2007. - №7.