Роботизированный неразрушающий контроль

Роботизированные NDT-системы помогают операторам трубопроводов и коммунальным организациям собирать данные по структурной целостности для нужд обслуживания в следующих сферах:

• Трубопроводы в нефтегазовой и коммунальной отраслях
  • Стенки труб
  • Окружные сварные швы
• Системы охлаждения ядерных реакторов
• Резервуары
  • Днища резервуаров
  • Оболочки резервуаров
  • Сварные швы

Особенности трубопроводов, которые могут препятствовать либо осложнять диагностику с помощью поршней с потоком, включают:

• Некоторые фасонные детали труб (например, малорадиусные отводы, тройники, дисковые затворы, редукторы) могут быть непроходимыми для крупногабаритных инспекционных поршней.
  • Техник может регулировать скорость, ориентацию и конфигурацию движения роботизированного комплекса для преодоления таких препятствий, которые могли бы остановить или повредить потоковый поршень.
• Течение продукта может препятствовать движению поршня.
  • Управляемое самодвижущееся устройство снижает риск ошибок датчиков, связанных со скоростью тока.
  • Непрерывный мониторинг позволяет оператору немедленно реагировать в случае получения некорректных показаний, включая перенастройку режима для повторного сканирования или ремонта элементов комплекса.
  • Большинство роботов используют бесконтактные методы — оператору не требуется работать с прослойкой контактной среды.
• Ограниченный доступ к трубопроводу затрудняет применение традиционных инструментов; «умные» поршни требуют специальных входных и выходных камер (пускателей и ловушек).
  • Некоторые ползуны можно вводить через снятые фитинги или отрезки труб длиной от 24 дюймов, что обеспечивает гибкость доступа и не требует специальных устройств.
  • Часть роботов может заходить и выходить в линии природного газа через горячие врезки, не прерывая транспорт продукта.
  • Даже если трубопровод удобен для применения традиционного поршня, короткие локальные инспекции с помощью ползущих роботов обычно эффективнее, чем долгий прогон «умного» поршня.

Преимущества роботизированных NDT-инструментов в труднодоступных или опасных условиях:

• Ползущие роботы для обследования резервуаров поднимаются по стенкам и избавляют владельцев от необходимости установки систем защиты от падения или строительных лесов для инспекции человеком.
• Аналогично, ползущие роботы для обследования днищ резервуаров, опускаемые через люки на крыше, устраняют риски работы в замкнутом пространстве и расходы на мониторинг воздуха.
• Комплексы, способные работать под водой, ликвидируют необходимость осушения зоны инспекции, а также риски подводных работ и связанные с ними расходы при подводных или резервуарных обследованиях.

Ползущие роботы с тросом оснащаются пуповинным кабелем, который передаёт питание и команды управления на устройство и возвращает данные датчиков оператору. Преимущества тросовых комплексов по сравнению с автономными заключаются в следующем:

• Трос позволяет эвакуировать устройство при аварии или ремонтировать его
• Неограниченное питание от кабеля позволяет тщательно инспектировать проблемные зоны без опасений разрядки аккумулятора
• Кабель обеспечивает передачу данных и управление в реальном времени, что даёт возможность сразу оценивать подозрительные находки или выявлять неисправности
• Большинство тросовых роботов достаточно компактны для ввода через демонтированные фитинги/фланцы или небольшие разрезы на трубе, что минимизирует неудобства эксплуатации
• Возможность работы в двух направлениях позволяет обследовать трубу через один точечный доступ

Недостатки тросовых роботов по сравнению с автономными:

• Длина и масса кабеля ограничивают расстояние, на которое может отправиться устройство
• Для работы чаще всего требуется остановка оборудования (выведение труб или резервуаров из эксплуатации)

Автономные внутритрубные роботы работают от собственных аккумуляторов; датчики передают информацию по беспроводному каналу либо сохраняют её для последующей выгрузки после возврата. Основные преимущества автономных комплексов:

• Отсутствует ограничение по длине кабеля — значительно большее расстояние обследования
• Возможна герметизация трубопровода с роботом внутри — часто инспекция проводится без прерывания работы
• Двусторонность работы требует только одной точки доступа

Основные недостатки таких комплексов по сравнению с тросовыми:

• Автономные роботы могут застрять, что потребует земляных работ и резки трубы для их извлечения
• Отсутствие передачи данных в реальном времени иногда влечёт за собой дополнительные проходы для анализа обнаруженных дефектов
• Для вывода и ввода обычно нужны достаточно крупные загрузочные и эвакуационные камеры

Роботизированные системы NDT применяют совокупность различных датчиков. Ниже описаны основные типы сенсоров; часто на одном роботе используется несколько систем в зависимости от габаритов, конструкции и области применения.

См. также — Электромагнитно-акустический преобразователь

Электромагнитно-акустические преобразователи (EMAT) создают ультразвуковые волны в однородных металлических объектах (стенки труб, днища резервуаров). По отражениям волн специалисты определяют состояние металла и выявляют аномалии: при прохождении трансдьюсера над дефектом появляется дополнительное отражение между первоначальным импульсом и отражением от нормальной зоны^[1].

Наиболее распространён прямой луч EMAT (ввод волн перпендикулярно поверхности). Метод позволяет измерять толщину металла и выявлять такие дефекты, как:

• Потери металла на внутренней поверхности (напр., точечная коррозия, общее истончение)
• Потери на внешней поверхности (в том числе глубокие царапины и измерение остаточной толщины)
• Аномалии металлопроката (ламинации, неметаллические включения), с оценкой глубины

Наклонный луч (введение волн под углом) может использоваться параллельно с прямым для подтверждения фиксируемых дефектов. Такой преобразователь реагирует только на отражения от дефектов в зоне действия луча; сигналы от противоположной стенки не отображаются^[1].

Комбинация методов повышает точность и позволяет находить дополнительные аномалии. Недостатком наклонного луча является меньшая устойчивость к загрязнениям. Метод выявляет:

• Коррозионное растрескивание под напряжением
• Механические повреждения (царапины, риски)
• Точечную коррозию

Бесконтактный характер EMAT удобен для сухих систем (например, газопроводов), где применение жидких контактных сред нежелательно.

Надёжность сварных швов, особенно окружных, крайне важна для безопасности трубопроводов. В отличие от однородной стали, сварные швы и их зона термического влияния обладают анизотропией зерна, что затрудняет прохождение ультразвука и усложняет анализ.

Один из методов — использование девяти частотно-временных сканов с обеих сторон шва, где каждой частоте соответствует свой угол ввода волны^[2]. Эта зона сканирования визуализируется цветовой матрицей по тяжести дефектов.

Метод позволяет выявлять следующие дефекты шва:

• Плоскостные (несвар, трещины)
• Объёмные (пористость, неметаллические включения)

См. также — Магнитный метод контроля

MFL-приборы используют сенсор, помещённый между мощными магнитами, для анализа протекания магнитного потока в стенке трубы. В целой стали поток однороден, а любые дефекты вызывают искажения, которые фиксируются для дальнейшего анализа. На рисунке ниже: слева — работа устройства в исправной трубе, справа — фиксация дефекта ишода металла^[3].

Основное назначение — выявление точечной коррозии; некоторые варианты также детектируют дефекты швов. Преимущество перед ультразвуком — работа через сравнительно толстые покрытия (лакокрасочные, защитные облицовки)^[4].

См. также — видеодиагностика

Роботы NDT оснащаются камерами для визуального контроля инспектируемых зон. Некоторые камеры ориентированы строго вдоль направления движения либо к контактной поверхности, что помогает в управлении, другие — для фотосъёмки выявленных дефектов.

Существуют специализированные камеры только для видеообследования; такие устройства обычно очень манёвренны, реже перегружены тяжёлыми сенсорными модулями. В комбинированных роботах камера размещается для максимального удобства анализа найденных дефектов.

См. также — Поверхностная метрология

Лазерные профилометры проецируют заданную форму на поверхность объекта. Оператор регулирует угол и расстояние, чтобы форма была однородной на стандартном металле. Наружные дефекты искажают профиль проекции, что фиксируется специальным программным обеспечением. Фотографии лазерных искажений служат визуальным доказательством и повышают качество данных для оценки целостности.

См. также — импульсный вихретоковый контроль

PEC-инструменты используют катушку для наведения импульсного магнитного поля в металл. Изменяющееся магнитное поле индуцирует вихревые токи на поверхности. Сигналы сравниваются с эталонным значением, установленным до начала обследования; устраняется влияние собственных свойств материала и даётся средняя по площади толщина стенки. Данные сохраняются для анализа^[5].

Метод допускает увеличенный зазор между преобразователем и поверхностью, что особенно важно для контроля через непроводящие покрытия (изоляция, обрастание морскими организмами и др.).

В США федеральным законодательством предписаны первичные инспекции трубопроводов с целью составления базы по их состоянию и последующий периодический контроль за износом. Операторы обязаны выделять зоны с повышенным риском (HCA), проводить регулярные обследования и разрабатывать профилактические и аварийные планы^[6].

В зависимости от угрозы для общественной безопасности штатные требования могут различаться. Например, после аварии и взрыва на газопроводе в жилом районе Сан-Бруно в 2010 году комиссия Калифорнии потребовала специальных программ повышения безопасности^[7], включая массовую замену труб и инспекции с использованием внутритрубных средств.

Федеральная администрация по безопасности трубопроводов и опасных материалов (PHMSA) запрещает использование беспроводных роботов в зонах HCA из-за риска их застревания. В местах, где извлечение инструмента связано с большим ущербом, — пересечения шоссе, рек, плотная городская инфраструктура, операторы применяют только тросовые комплексы.

В 2015 году компания Williams использовала тросового внутритрубного робота для обследования труднодоступного участка газопровода Transco в Нью-Джерси^[8]. Новый жилой комплекс по соседству создал HCA-зону, и оператор по требованию PHMSA внедрил программу управления целостностью.

Alyeska Pipeline Service Company применяла тросовый робот Diakont для инспекции насосной станции №3 на трансаляскинском трубопроводе после обнаружения утечки нефти на участке насосной №1 в 2011 году^[9]. В результате соглашения Alyeska обязана была демонтировать все участки, недоступные для внутритрубных инспекций, или обследовать их подобными средствами. Так как иные ILI-инструменты не проходили через сложную геометрию этих узлов, был одобрен вариант с применением тросового робота, позволивший ограничиться минимальным демонтажем, не прибегая к масштабным земляным работам.

В атомной энергетике США действуют специальные стандарты по управлению целостностью трубопроводов (NEI 09-14).

• Cooper Nuclear Station (Небраска) выполнила диагностику подземных труб в рамках продления лицензии в 2010 году, используя роботизированный комплекс Diakont для обследования линии экстренного ввода охлаждающей воды^[10].
• South Texas Project Electric Generating Station выполнила в 2014 обследование трубопровода системы технической воды роботизированным комплексом GE Hitachi Nuclear Energy^[11].

В распределительных газопроводах, не проходящих под критически важными объектами, можно использовать автономные внутритрубные комплексы.

• В 2011 году Southern California Gas Company провела обследование 8-дюймового газопровода беспроводным роботом Pipetel (давление газа было недостаточно для традиционного поршня). Было исследовано 2,5 мили, включая участок под железной дорогой^[12].
• Southwest Gas Corporation в 2013 году обследовала около мили 6-дюймового участка газопровода в Лас-Вегасе тем же устройством^[13].
• Central Hudson Gas & Electric в 2015 использовала аналогичный комплекс для обследования 3000 футов 16-дюймовой линии, проходящей под проезжей частью^[14].

Преимущества роботизированных NDT-инструментов относительно других методов контроля:

• Анализ данных в реальном времени повышает эффективность управления целостностью.
  • Быстро возможно получение предварительных результатов (отчёт по классическим поршням составляет до 90 дней, роботизированная диагностика позволяет получить основной отчёт за 30 дней).
  • Можно оперативно выделять серьёзные находки для приоритетной обработки.
  • Возможна корректировка маршрута или ремонта инструмента прямо в ходе обследования.
• Компактность оборудования позволяет запускать их в удобных для заказчика точках, а не только в крупных камерах.
  • Меньша вероятность застревания, проще извлекать при поломках.
  • Существенная экономия на раскопках, особенно при совмещении с другими ремонтными работами.
  • Удобство для городских условий и ограниченных пространств.
• Возможность обхода сложных совершенств (отводов, тройников, опор резервуаров), а также точной адаптации маршрута под дефекты.
• Серьёзное повышение безопасности:
  • Минимальные риски при работе в открытых выемках и траншеях.
  • Диагностика резервуаров изнутри обходится без входа человека; контроль оболочек резервуаров — без высотных работ.
• Стоимость инспекции и регулируемого ремонта значительно ниже расходов на устранение аварий.

Недостатки роботизированных комплексов по сравнению с другими NDT-методами:

• Необходимость поддержания надёжной связи с инструментом ограничивает дальность работы.
  • Тросовые комплексы зависят от длины и продвигаемости кабеля.
  • При сильном натяжении кабеля или большом числе изгибов движение может быть затруднено.
• Многие роботы движутся медленнее поточных поршней.
• Подготовка персонала сложнее, чем при аренде простых дистанционно управляемых транспортных средств.
  • Данные должны собираться и интерпретироваться специалистами, сертифицированными по стандартам (например, Американское общество по неразрушающему контролю, Американское общество инженеров-механиков).
• Для диагностики часто необходим останов и очистка объекта.
  • Обязателен постоянный контроль атмосферы, а при горючих продуктах — иногда инертирование.
  • Накопления мусора, коррозия заметно влияют на работу датчиков.
  • Подобные сервисы обычно совмещают с плановыми остановками, но регуляторные нормы иногда требуют внеплановых инспекций.