Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

Актуальность проблемы размагничивания магистральных нефтяных, газовых и продуктопроводов

      Проведение сварочных работ с намагниченными материалами сопряжено с возникновением в сварочном шве различных дефектов и пор, сам процесс сварки неустойчив, происходит разбрызгивание расплавленного металла и залипание сварочного электрода. При этом качество получаемого сварочного шва не может быть удовлетворительным. Это негативное влияние намагниченности свариваемых материалов получило название «магнитное дутье».

Используемые материалы при изготовлении труб для магистральных трубопроводов должны выдерживать значительные нагрузки, поэтому альтернативы прочным сталям не существует. Но применяемые углеродистые стали (содержание углерода до 0.12 % и 0,30 % кремния) обладают возможностью сильно намагничиваться. А в условиях намагниченного состояния проведение сварочных работ на трубопроводе сопряжено с «магнитным дутьем».

Аналогичные проблемы возникали и возникают при сварочных ремонтных работах на магнитных корпусах подводных лодок. Во время войны к решению «магнитных» проблем на подводном флоте были привлечены лучшие ученые страны, в том числе академик Курчатов И.В.

Объединяющим фактором для подводных лодок и трубопроводов является их длинномерность. Именно длинномерные объекты, у которых один размер значительно превосходит другие, легко намагничиваются вдоль этого направления. Процесс размагничивания таких объектов является трудной задачей.

При проведении строительных или ремонтных работ на магистральных трубопроводах необходимо получение качественного шва, способного выдерживать длительное время давление до 60 атмосфер. Это является наиважнейшей технической, экономической и экологической задачей. Поэтому создание прибора, способного устранить эффект «магнитного дутья» непосредственно на трассе, в процессе проведения сварочных работ, является актуальной задачей.

  

Причины возникновения намагниченности трубопроводов

Источниками магнитного поля, в которых может намагничиваться трубопровод, является магнитное поле Земли, использование магнитных кранов при погрузочно-разгрузочных работах, а также технологические магнитные поля при производстве труб. Наиболее сильным источником магнитного поля являются дефектоскопические внутритрубные аппараты, использующие неразрушающий магнитный принцип диагностики.

 

 Среди магнитных характеристик материалов выделим лишь основные характеристики, отвечающие за магнитное поведение трубопровода. Это магнитная проницаемость (μ), остаточная намагниченность (Мr) и соответствующая ей остаточная индукция (Br), намагниченность насыщения  (Мs) и соответствующая ей индукция насыщения (Bs), коэрцитивное поле (Hc). Их взаимосвязь можно проследить из уравнения 1 и кривой намагничивания, представленной на Рис.1.1

Bs может достигать значений 1.5Тл для углеродистых сталей из которых изготовляются магистральные трубопроводы.

                                             B = μ·Н                                              (1.1)

 Для длинномерных тел направление по длине является осью легкого намагничивания. Если трубопровод проложен по направлению «север-юг», то ось легкого намагничивания совпадает с направлением магнитного поля Земли (~0,5 Э). При магнитной проницаемости материалы трубы порядка 50 индукция поля внутри стенки трубы составит величину около 2,5 мТл. Эта величина является граничной, при которой по существующим нормативам можно проводить качественные сварочные работы. Ситуация усугубляется в случае параллельного расположения двух и более трубопроводов, находящихся на небольшом расстоянии и подмагничивающих друг друга.

 

Рис.1.1. Ход кривой намагничивания B при увеличении внешнего магнитного поля (кривая 1). При уменьшении внешнего поля до нуля (кривая 2) индукция поля спадает не до нуля, а принимает значение остаточной индукции Br.

 

При направлении трубопровода «восток-запад» магнитное поле Земли направлено по оси трудного намагничивания, и наведенная намагниченность будет существенно меньше по сравнению с направлением «север-юг».

 

 В настоящее время в практику неразрушающей дефектоскопии трубопроводов прочно пошли магнитные дефектоскопы. Принцип их работы основан на фиксации дефектов по магнитным полям рассеяния намагниченными практически до насыщения стенками трубопровода. Такие дефектоскопы имеют в своей конструкции сильные постоянные магниты. При движении дефектоскопа внутри трубы по направлению легкого намагничивания трубопровод приобретает значительную намагниченность. По нашим оценкам, выполненным совместно со специалистами АК «Транснефть» на различных участках от Урала до Волги, намагниченность трубопровода в таких условиях может достигать значений 300 мТл [1], (Приложение №1). Следует отметить, что напряженность магнитного поля в зазоре может быть неоднородной по длине шва в зависимости от наличия в трубопроводе неоднородных механических напряжений. Взаимосвязь механических напряжений и остаточной намагниченности – это проявление магнитострикционного эффекта. Магнитострикционный эффект приводит к различию в остаточной намагниченности по длине шва до 10 % от максимальной Br.

 

 Возможные методы компенсации намагниченности трубопроводов и методы размагничивания трубопроводов

Существуют несколько методов размагничивания труб:

  • нагревание трубы выше температуры Кюри (более 700°С) с дальнейшим охлаждением в отсутствии магнитного поля. Такой метод недопустим для трубопроводов.
  • наложение на участок трубопровода знакопеременного магнитного поля с начальной амплитудой, превышающей значение Нс. трубы, и убывающей до нуля амплитудой. Такой метод может быть эффективным только для отдельного короткого фрагмента трубы. Для длинномерной трубы полное размагничивание отдельного участка невозможно, поскольку оставшаяся часть намагниченной трубы при значении µ материала трубы более 50 будет снова намагничивать размагничиваемый участок.
  • наложение на участок трубы постоянного магнитного поля с направлением, противоположным существующей намагниченности, для доведения этого участка трубы до нулевого значения суммарной намагниченности. Происходит компенсация наложенного внешнего поля и намагниченности трубопровода. При снятии внешнего магнитного поля остаточная намагниченность принимает ненулевое значение, хотя и меньше первоначального. Но для производственных и ремонтных сварочных работ необходимо уменьшение локальной намагниченности только на время проведения самих работ. Поэтому этот метод компенсации нашел применение в практике проведения работ на трубопроводах.
  • Сведение до долговременного минимума локальной намагниченности в длинномерной трубе возможно путем перемагничивания этого участка противоположным полем такой величины (Hr, большего Нс.), при которой после снятия внешнего поля суммарная намагниченность будет минимальной (Рис.1.2.).                                                                                                               

В отличие от Нс, поле Нr называют релаксационной коэрцитивной силой. Участок петли гистерезиса, находящийся во втором квадранте между точками Br и Нс, называется кривой размагничивания. Поэтому этот метод носит название «размагничивание». Данный метод является самым эффективным, поскольку после проведения процесса размагничивания размагничивающая аппаратура может быть выключена и снята с трубы. 

Существует ограничение для снятия аппаратуры с трубопровода, связанное с возможной передачей на ремонтируемый участок трубопровода вибрационных колебаний от подъемного крана, поддерживающего трубу на определенной высоте от земли во время проведения ремонтных работ. Такие вибрации способствуют легкому перемагничиванию магнитных доменов размагниченного участка под действием магнитного поля неразмагниченных участков трубы. Поэтому при реализации метода компенсации или размагничивания необходим постоянный контроль состояния намагниченности в зазоре ввариваемого шва [2].

 

Рис.1.2. После временного наложения отрицательно поля |Hr|>|Hc| индукция поля Br может достичь нулевого значения (кривая возврата 2).

 

Основные требования к аппаратуре размагничивания и компенсации намагниченности при работе в полевых условиях трассы

Магнитное поле на участке трубопровода с направлением вдоль оси трубопровода может быть создано витками провода, намотанного на трубу, по которому протекает постоянный ток заданного направления. Число витков в такой обмотке и величина тока, протекающего через эту обмотку (т.е. число ампер-витков), будут определять величину создаваемого магнитного поля. Для создания магнитного поля, необходимого для компенсации на локальном участке намагниченности 300 мТл с учетом µ материала труб необходимо не менее 2500 ампер-витков. Наматывание небольшого числа витков (10‑15) кабеля требует значение постоянного тока не менее 150 А. Для уменьшения потребляемого тока необходимо увеличивать число витков. Этот процесс требует значительного времени. А при проведении ремонтных работ, когда перекачка продуктов по трубопроводу остановлена, это время очень дорого и поэтому крайне ограничено. Все вышеуказанные обстоятельства определяют основные требования к аппаратуре компенсации и размагничивания трубопровода.

 Можно кратко сформулировать эти требования:

  • создание многовитковых быстро сочленяемых катушек (размагничивающих модулей);
  • блок управления совместно с размагничивающими модулями должен обеспечить компенсацию намагниченности трубопровода до 300 мТл;

 Во время проведения сварочных работ должна быть обеспечена:

  • защищенность прибора и размагничивающих модулей во время проведения сварочных работ.
  • простота работы с прибором для обслуживающего персонала.
  • безопасность работы с прибором обслуживающего персонала.

Для контроля намагниченности в процессе работ по размагничиванию необходим малогабаритный автономный магнитометр.

Приборы должны стабильно работать в диапазоне температур от –40 до  +40 °С