Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка

ДЖАЛА Роман Михайлович

УДК 681.518.3: 537.8: 620.1: 621.643.2

Методи і засоби електромагнітнИх обстежень

захисту від корозії підземних трубопроводів

05.11.16

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка

Національної академії наук України

Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор Маєвський Станіслав Михайлович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, завідувач кафедри “Прилади і системи неруйнівного контролю” | Доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович, Вінницький державний технічний університет, м. Вінниця, завідувач кафедри “Метрологія та промислова автоматика” | Доктор технічних наук, старший науковий співробітник Русин Богдан Павлович, Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, м. Львів, завідувач відділу методів і систем обробки, аналізу та ідентифікації зображень | Провідна установа: | Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра "Вимірювально-інформаційна техніка", м. Харків |

Захист відбудеться 26 грудня 2002 р. о 14 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.35.226.01

у Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України за адресою:

79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України (79601, м. Львів, вул. Наукова, 5).

Автореферат розісланий 23 листопада 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Погребенник В. Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення високопродуктивних інформаційно-вимірю-вальних систем (ІВС) пошуку і обстежень захованих об’єктів є одною з найважливі-ших проб-лем, пов’язаних з відбором і опрацюванням вимірюваних сигналів, кіль-кісною оцінкою їх інформативних ознак і визначенням за ними параметрів об’єкта. Ця комплексна науково-технічна проблема набула особливої акту-альності для задач підвищення оперативності та інформативності обстежень коро-зійного стану підзем-них комунікацій і зв’язаних з ними споруд, визначення парамет-рів активного (електрохімічного) і пасивного (ізоляційними покриттями) захисту та вияв-лення найбільш імовірних місць корозії магістральних нафто-, азо-, продуктопроводів.

У різних регіонах світу налічується біля 2 млн. км трубопроводів, якими транс-портують аз, нафту, сировину і продукти хімічної промисловості. В Україні є понад 35000 км магістральних азопроводів, близько 4600 км нафтопроводів, більше 570 км магістральних аміакопроводів. Діє мережа сталевих трубопроводів для газопо-ста-чання та водопостачання населення і підприємств. Розвинена мережа підземних кабелів для передачі електроенергії і зв’язку. Трубопроводи відіграють важливу роль у житті суспільства як у промисловості, в побуті і навіть у політиці. Особливе геополітичне становище України обумовлює значимість трубопровідного транспорту в міждержавних стосунках.

Для збереження і надійного функціонування підземних трубопроводів (ПТ), металевих споруд необхідний належний протикорозійний захист (ПКЗ). Впливи оточуючого середовища призводять до корозійних пошкоджень, які спричинюють втрати металу і транспортованого продукту, перебої в його постачанні, забруднення довкілля, аварії і катастрофи. З часом саме корозія визначає придатність металевої споруди до експлуатації. Щоб запобігти цим пошкодженням, потрібно вчасно і у відповідних місцях налагоджувати протикорозійний захист, а це вимагає періодичних обстежень, виявлення корозійно небезпечних ділянок.

Значний вклад у розвиток методів і засобів обстежень трубопроводів зробили вчені Великобританії, Німеччини, Франції, США, Росії; в Україні відомі школи: київська, львівська, харківська та інші; внесок у постановку і розв’язання проблеми безконтактних обстежень ПТ зробили Л. Дикмарова, Л. Мізюк та інші науковці ФМІ ім. Г. В. Карпенка НАН України.

Традиційно обстеження трубопроводів проводять електрометричними кон-так-т-ними методами з поверхні землі. Внутрітрубна дефектоскопія виявляє вже наявні пошкодження металу труби, але не дає потрібної інформації про стан захисту для запобігання корозії. Ефективність і оперативність обстежень суттєво підвищу-ється з використанням безконтактних вимірювань струмів (БВС). Проте для широкого використання безконтактного методу необхідні відповідні засоби отримання кількісної інформації від об’єкта.

Вирішення зазначеної проблеми пов’язане насамперед з вивченням взає-мо-зв’язків просторових і частотних характеристик електромагнітного (ЕМ) поля з параметрами об’єкта та вибором на цій основі вимірюваних характеристик поля з врахуванням технічних можливостей реалізації вимірювань, розробкою електро-магнітної ІВС. Тому актуальність дисертаційної роботи викликана необхідністю досліджень інформативних ознак ЕМ поля ПТ, розробки нових методів БВС і визначення параметрів об’єкта, створення науково-методичних основ побудови та функціонування ЕМ ІВС з відповідним алгоритмічним, апаратурним, програмним і методичним забезпеченням, призначеним для обстежень ПТ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в руслі наукових досліджень відділу електромагнітних методів вимірювань, а з 1993 р. – відділу відбору і обробки стохастичних сигналів ФМІ НАН України, які проводились дисертантом як відповідальним виконавцем та науковим керівником за період 1983-2001 рр. під час держбюджетних та госпдоговірних науково-дослідних робіт за комплексними науково-технічними програмами і темами. У тому числі: Постанова Колегії Мінгазпрому СРСР і Президії АН УРСР №8/179 від 08.04.1982 р. про комплексну цільову програ-му, тема № : “Створити і освоїти апаратуру для виявлення місць корозії і переміщення трубопроводів у ґрунтах” (1983–1986); Постановление Государст-вен-ного комитета СССР по науке и технике от 26.12.1988 г. №451 Об утверждении Единого плана проведения исследований, разработок и опытных работ МНТК “Антикор” ГКНТ СССР и АН СССР, тема 14, этап: “Исследование и разработка методики и аппара-туры для бесконтактных обследований коррозионной защиты подземных трубопроводов” (1990); Общесоюзная (потім міждержавна) НТП “Высоконадежный трубопроводный транспорт”, проект 8.10: “Разра-бо-тать методы и аппаратуру для контроля состояния изоляции подземных магист-ральных трубопроводов” (1991-1995); ДНТП, НДДКР .2.1 “Протикорозійний захист мета-лофонду України”, завдання 26: “Розробка методів і апаратури для корозійних обстежень підземних і підводних трубо-проводів”, 1992-1996 рр.

Держбюджетні теми, виконані за постановами Президії НАН України: “Розробка ефективних методів та інформаційно-вимірювальних систем для оцінки параметрів слабих аномальних електромагнітних полів і виявлення за ними об’єктів у еофізичних експериментах, електророзвідці та діагностиці корозії” (1986-1990. № ГР .86.0043083) – відповідальний виконавець; “Розробка методів підвищення чутливості датчиків елект-рич-них і магнітних полів, а також ефективних методів оцінки їх параметрів при космічних, еофізичних і корозійних дослідженнях” (1992-1994, № ДР U007393) – відпові-даль-ний виконавець; “Розробка методології та ство-рення засобів електро-магнітного неруйнівного контролю корозійного стану трубопроводів” (1994-1996, ДР №0194U005337) – науковий керівник; “Розробка теорії, методів і засобів обробки стоха-стичних сигналів при технічній діагностиці” (1997-1999, ДР №0197U019052) – відповідальний виконавець. До дисертації залу-чені результати досліджень і розробок, проведених у рамках науково-дослідних ро-біт ФМІ за договорами №991 – відповідальний виконавець; №№ 1514, 1974, 2274, 2310, 2385, 2454, 2482, 2493, 2645, Л07-181, Л12/99, 2815, 2841 – керівник.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка теорії, методів і технічних засобів БВС, розвиток методології визначення параметрів ізоляційного покриття і електрохімічного захисту стале-вих ПТ та створення на цій основі електромагнітної інфор-маційно-вимірювальної системи (ЕМ ІВС) для оперативних обстежень і оцінки стану ПКЗ підземних металевих трубопроводів і споруд.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наукові задачі:

·

· дослідити інформативні характеристики електричного та магнітного полів ПТ та їх зв’язки з параметрами трубопроводу;

· теоретично обґрунтувати і розвинути методи БВС ПТ при апріорі невідомих їх координатах;

· розробити методи безконтактного вимірювання постійного струму ПТ з вилученням впливів геомагнітного та інших завадонесучих полів;

· дослідити і розробити методи визначення параметрів захисних ізоляційних покриттів ПТ;

· розробити методи визначення розподілу густини струму катодного захисту ПТ;

· створити ІВС оперативних обстежень ПТ.

Об’єкт дослідження – електромагнітні ІВС для отримання кількісної інформації про стан захисту від корозії ПТ.

Предмет дослідження – інформативні ознаки ЕМ поля ПТ, методи і засоби відбору та опрацювання вимірювальної інформації.

Методи досліджень. При розробці теоретичних основ БВС і дослідженнях інформативних ознак ЕМ поля ПТ використані аналітико-числові методи розв’я-зання крайових задач електродинаміки, методи теорії кіл з розподіленими пара-метрами, методи розрахунку електричних і магнітних полів струмів розтікання в об’ємних провідниках. Дослідження та розробки апаратурного і методичного забезпечення ІВС проведені на основі математичного моделювання з викори-станням емпіричних і евристичних підходів, лабораторних і натурних випробувань. Експериментальні дослідження характеристик засобів обстежень виконані методами електричних, магнітних і електромагнітних (індукційних) вимірювань. Перевірки результатів роботи створеної ЕМ ІВС проводились шляхом їх зіставлень з результатами традиційної контактної електрометрії на випробувальних стендах та при комплексних корозійних обстеженнях ПТ у процесі експлуатації.

Наукова новизна результатів, одержаних у дисертаційній роботі, полягає у розробці методології і наукових основ створення електромагнітних ІВС для об-стежень ПТ, що реалізують нові методи і засоби БВС, відбору і кількісної оцінки інформативних ознак ЕМ поля та визначення параметрів стану захованих струмопровідних комунікацій.

1. Запропоновано концепцію і розвинуто елементи триєдиної математичної моделі (ТЄММ) ЕМ поля підземного сталевого ізольованого трубопроводу, яка базується на розв’язаннях крайових задач електродинаміки, теорії електричних кіл з розподіленими параметрами та теорії розподілу поля струмів об’ємних провідників. Розвинуто електродинамічну модель трубопроводів: вперше виведено рівняння гіб-рид-них ЕМ хвиль багатошарової циліндричної структури з локальним дефектом та двох паралельних ізольованих ПТ. Пока-зано наявність та проана-лізовано характер еліптичної поляризації поля комуні-ка-цій з несинфазними струмами. Отримав подальший розвиток аналіз просторових ха-рак-теристик поля струму низької частоти, що протікає у ПТ, двох паралельних струмо-про-водів та струму витікання. На основі ТЄММ досліджено взаємозв’язки між параметрами об’єкта і характе-ристиками його ЕМ поля, визначено інформативні ознаки та характеристики (величини і їх діапазони) для вимірювань.

2. Розвинуто теоретичні основи методу БВС, як базу для проектування систем вхідних перетворювачів і технічного забезпечення БВС ПТ. Серед диферен-ціальних БВС вперше виділено класи радієнтних і паралаксних методів, проведено аналіз і зіставлення їх інформативних, метрологічних, технологічних властивостей. Запро-по-но-вано нові методи БВС з азимутальною і радіальною орієнтаціями бази точок спосте-реження, з довільним розмі-щенням бази у поперечній струмопроводу пло-щині (з компонентними і модульними первинними перетворювачами), а також цик-ліч-ний метод з переміщенням точки спостереження по коловій траєкторії. Показано мож-ли-вість використання надлишкової інформації у вхідних даних для "внутрішньої" оцінки похибок вимірювань координат і струму.

3. Вперше показано необхідність враху-вання вторинного поля намагнічення сталевого ПТ, отримано формулу еквівалентного диполя намагнічення труби, запро-поновано нові методи безкон-тактних вимірювань постійного струму ПТ.

4. Запропоновано принципово новий метод визначення напряму пульсуючого струму за його асиметрією і фазами гармонічних складових. Показано можливість оцінювання струму катодного захисту в ПТ за вимірами змінних складових. Вперше запропоновано визначати розподіл густини струму, що натікає з рунту в трубопровід, за розподілом змінного струму та коефіцієнтом гармоніки для довільної точки траси.

5. Отримано вирази для визначення, спричиненого витікаючим з ПТ струмом, падіння напруги в ґрунті за вимірами напруги на поверхні землі; запропоновано новий метод визначення питомого опору рунту на трасі (а не збоку від неї, як за відомими методами).

6. Розроблено методи визначення розподілу вздовж траси перехідного опору труба-земля та його складових (опорів рунту, ізоляції та поляризації), які базую-ться на БВС вздовж траси з контактними вимірами напруг в окремих точках, що впер-ше дає кількісні диференційні оцінки стану ізоляції на різних ділянках ПТ. Запро-по-но-вано новий критерій виявлення незадовільної ізоляції ПТ за заниканням струму.

7. Запропоновано новий метод визначення поляризаційного потенціалу повер-хні металу в електролітичному середовищі шляхом вимірювань постійних і змінних напруг та визначення коефіцієнта гармоніки для вилучення омічної складової. Метод базується на властивостях подвійного електричного шару границі метал-електроліт і працює без відключень джерел поляризуючого струму чи компен-сації струму між поверхнею металу і електродом порівняння, чим суттєво спрощуються процедури і апаратні засоби у порівнянні з відомими релаксаційними і компенса-ційними методами, зменшуються спричинені вирівнювальними струмами похибки.

8. Запропоновано і розвинуто концепцію обстежень стану ПКЗ ПТ методом БВС з першочерговими контактними вимірами в місцях аномально великих витрат струму катодного захисту. Створено ЕМ ІВС для отримання і авто-матичного опрацювання кількісної інфор-мації від об’єкта до документа, чим запо-чатковано новий напрям технології обстежень корозійного стану ПТ.

Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні науково-методичних основ побудови і застосування ЕМ ІВС для отримання й автоматичного опрацювання вимірювальної інформації та кількісних оцінок параметрів ПКЗ ПТ.

1. ТЄММ використано для вивчення структури і розподілу ЕМ поля ПТ, виявлення його інформативних ознак залежно від частоти, геометричних і електричних параметрів трубопроводу, ізоляції та ґрунту, а також для обґрунтування і визначення області застосування спрощених моделей, для вибору параметрів вимірювальних перетворювачів і пристроїв ІВС, побудови алгоритмів обробки вхідних сигналів та визначення вимірюваних величин (струмів, напруг, опорів) як носіїв інформації для оцінки стану об’єктів.

2. Запропоновані методи БВС використано для вибору оптимальних систем первинних перетворювачів із врахуванням можливостей технічної реалізації та умов застосування ІВС, втілено у засобах типу БИТ, УГРИ, ОРТ та їх модифікацій. Циклічний метод рекомендується для створення пристроїв пошуку і БВС з обертовою системою чи антенною решіткою давачів, що дасть можливість підвищити завадостійкість вимірювань та вірогідність результатів обстежень.

3. Безконтактні вимірювання змінної складової струму установки катодного захисту (УКЗ) дають оцінки розподілу витрат струму УКЗ по різних нитках і плечах трубопроводів та на суміжних ділянках; їх використовують для диференційованих оцінок ізоляції на різних ділянках та виявлення найбільш імовірних місць корозії. Додаткові вимірювання коефіцієнтів гармоніки дозволяють визначати розподіл густини струму катодного захисту, що натікає у трубопровід з рунту.

4. Метод визначення напряму пульсуючого струму втілено у спеціальний пристрій для безконтактного визначення напряму випрямленого струму УКЗ у ПТ.

5. Способи безконтактного вимірювання постійного струму ПТ з вилученням впливу геомагнітного і вторинного полів використовуються при проектуванні нової апаратури з ферозондовими первинними перетворювачами, яка призначається для виявлення анодних зон (місць корозії) ПТ.

6. Розподіл вздовж траси перехідного опору труба-земля за БВС та його складовї дають кількісну інфор-мацію про стан пасивного захисту і можуть бути використані для оцінок швидкості корозії на різних ділянках для вироблення обґрунтованих рішень щодо стану і потреб ремонту ПКЗ ПТ. Питомий опір рунту, що є показником корозійної активності середовища, на трасі ПТ визначаємо за вимірами БИТ-КВ.

7. Визначення поляризаційного потенціалу з вилученням омічної складо-ву без відключень катодних установок і без викори-стання компенсаторів спаду напруги в середовищі чи стаціонарних електродів порівняння суттєво зменшує трудозатрати, підвищує вірогідність результа-тів. Спосіб реалізується вольтметрами постійної й змінної напруг типу ВП чи ОРТ+В2.

8. Створена ЕМ ІВС на основі БИТ_КВП з інтерфейсом дозволяє оперативно отримувати кількісну інформацію про стан ПКЗ на різних ділянках системи ПТ; накопичені результати вимірювань переводяться у комп’ютер з програмою автома-тичного опрацювання і документування. Інтеграція розробленої інформаційної технології з засобами технічного і методичного забезпечення у загальну систему ПКЗ підвищує інформативність обстежень, дає можливість переходити від регламен-тного обслуговування до обслуговування чи ремонту за технічним станом для запо-бі-гання пошкоджень, підвищення надійності і продовження термінів експлу-атації дорогих і важливих підземних споруд.

Реалізація та впровадження результатів досліджень і розробок здійснено у підприємствах, що експлуатують ПТ, проводять їх обстеження і технічну діагностику, а також в інститутах відповідного профілю.

На основі запропонованих способів і пристроїв у ФМІ створено макети апаратури для обстежень ПТ методом БВС, проведено експериментальні дослід-ження і натурні випро-бування, розроблено схеми, ескізи, за якими на Дослідному заводі ФМІ розроблено конструкторську документацію і виго-товлено ряд експериментальних зразків апаратури типу БИТ-3, УГРІ, БИТ-К, БИТ-К2, БИТ-КВ, БИТ-КВП. Створено портативні прилади ОРТ для визначення розмі-щення трубо-проводів; на замовлення ВОМН “Дружба” розроблені тех-ніч-ні умови ВУРИ.468162.001.ТУ та випущено серію ОРТ-1 на ВО “Елек-тро-апарат” (Брянськ). Для обстежень електрохімічного захис-ту під-зем-них спо-руд у ФМІ розроблено схеми і виготовлено вимірювачі потенціалів ВП та ком-п-лек-сні портативні прилади типу ОРТ+В, які передані в експлуатацію за договорами. Випробування БИТ_, проведені з ВНІПІтрансгаз на магістральних азопроводах Дашава-Київ (м. Боярка) та Середня Азія-Центр (Казахстан), показали придатність методу БВС для обстежень ПТ. БИТ-К та УГРИ використано в натурних випробуваннях на трасах магістральних газопроводів у Прикарпатті. БИТ-К передано в УМГ "Львівтрансгаз"; БИТ-К2 – МКП "Львівводоканал" та ДП "Укроргтехдіагностика"; БИТ-КВ – МНТК "Антикор" (Москва), Сая-нсь-ко-му ВО "Хімпром" (м. Зима) та ОМВУ "Подземметалл-защита" (Іркутськ). БИТ-КВП з вольтметром і пам’яттю передані ВОМН “Дружба” (Брянськ, Львів), ВОМН Казахстану і Середньої Азії (м. Павлодар), МНТК “Симона ЛТД” (Київ). ІВС БІТ-КВП з інтерфейсом і комп’ютерними програмами передані в ПНВП “Інтегратор” (Львів), УМГ “Львівтранс-газ”, ДАТ Придніпровські МН (Кре-менчук) і вико-рис-товуються для БВС і визна-чен-ня розподілу вздовж трас опору захисних ізоляційних покрить ПТ, що підтверджено актами. Створені засоби експонувались на виставках у Києві, Львові, Москві, С.-Петербурзі, Берліні.

Результати виконаних досліджень і розробок покладені в основу лекцій, прочитаних автором під час організованих ним науково-практичних семінарів із протикорозійного захисту й контролю трубопроводів (КТС-1997, -98, -99). Вико-рис-тання БВС у системі захисту від корозії описано в “Регламенті контролю протикорозійного захисту магістральних газопроводів”, який прийнято в УМГ “Львівтрансгаз”. Розроблено нові методики визначення параметрів захисту від ко-розії; запропоновано введення їх у ДСТУ “Трубопроводи сталеві магістральні”. Створені методи і засоби використовувались студентами радіо-тех-нічного та машино-будівного факультетів НУ “Львівська політех-ніка” у практичних заняттях і в диплом-ному проектуванні, а також на курсах підвищення кваліфікації фахівців захисту від корозії у Кременчуцькому державному політехнічному університеті.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної робо-ти отримані автором самостійно. Внесок здобувача в роботи, що виконані у співавторстві, полягав у формуванні напрямку і методології досліджень, розробці математичних моделей, функціональних схем і основних конструктивних рішень апаратури, алгоритмів роботи і структури ЕМ ІВС, поста-новці експериментальних досліджень і натурних випробувань, аналізі та інтерпретації їх результатів. Вклад здобувача у цих роботах був визначальним.

У роботах, опублікованих у співавторстві здобувачеві належать: [5-13, 18, 44, 48, 50, 51, 57] – постановка задач, участь у розв’язанні, узагальнення результатів; [9, 20, 46] – алгоритми опрацювання вимірів, участь у відладці програмного забез-пе-чен-ня; [26-29, 31-33, 37, 38, 40, 41] – формулювання суті винаходів; [34, 39] – формулювання вимог, відмінностей і позитивного ефекту; [16, 21, 58, 59] – роз-роб-ка програм експериментальних досліджень, участь у натурних випробу-ваннях.

У створенні засобів технічного забезпечення ІВС – апаратури типу БИТ і портативних приладів ОРТ+В та їх модифікацій здобувачем здійснено керівництво і супровід розробки та виготовлення зразків приладів, їх впровадження; написано методики застосування, організовано і проведено навчання операторів і фахівців новим методам обстежень ПКЗ ПТ з БВС.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включених до дисертаційної роботи, доповідались на 80 (з них 30 міжнародних) наукових конфе-ренціях і семінарах, у тому числі на: Українській конференції з міжнародною участю “Електрохімічний захист і корозійний контроль” (Сіверодонецьк, 1985, 2001); 2-й і 3-й Міжнародних конференціях “Pipeline inspection” (Moscow, 1991, 2001); семінарах Научного совета АН УССР по проблеме “Кибернетика” “Электро-магнитные информационно-измерительные системы” (Львів, 1986-88); конференції “Структурно-алгоритмические методы повышения метрологических характеристик автоматизированных систем сбора и обработки информации” (Киев, 1988); Frist International conference on information technologies for image analysis and pattern recognation ITIAPR’90 (Lviv, 1990); Всесоюзній науково-технічній конференції “Измерительные информационные системы “ИИС-91” (Санкт-Петербург, 1991); Міжнародній конференції з вимірювальної техніки IМЕКО “МЕРА-91” (Москва, 1991); Міжнародному симпозіумі “Методи дискретних особливостей в задачах мате-матичної фізики” (Харків, 1993); 1 і 2 Українських конференціях "Технічна діагностика і неруйнівний контроль в Україні" (Дніпропетровськ, 1994, 1997); Між-народних конференціях-виставках "Проблеми коро-зії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів “КОРОЗІЯ" (Львів, 1994, -96, -98, 2000, -02); І Українській та ІІІ Міжнародній НТ конференціях "Метро-логічне забезпечення в галузі електричних, магнітних та радіотехнічних вимірювань" (Харків, 1994, 2000); Міжнародних науково-практичних конференціях УНГА "Нафта і газ України" (Київ, 1994; Полтава, 1998; Івано-Франківськ, 2000); 2-й, 3-й, 4-й Українських конференціях з автоматичного керування "Автоматика" (Львів-1995, Севастополь-1996, Черкаси-1997); Міжнародному сим-позіумі “Non-Destructive Testing in Civil Engineering NDT-CE” (Berlin, Germany, 1995); Науково-технічних конференціях "Фізичні методи і засоби контролю матеріалів та виробів" (Славсько-Київ-Львів, 1996, -97, -99, 2000, -01, -02); 2-й Міжнародній конференції "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" (Туапсе, 1996); 3-й Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці” (Львів, 1999); 9-й та 11-й Міжнародних ділових зустрічах “Діаностика” (Сочі-1999, Туніс-2001) та інші.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в одній монографії (окремий розділ довідникового посібника), 21-й статті у фахових виданнях з переліку, затвердженого ВАК України, 14-и авторських свідоцтвах і 6-и патентах, а також у статтях тематичних збірників, тезах і доповідях на конференціях. Всього за темою дисертації опубліковано 145 наукових праць, у т.ч. 69 публікацій (з них 9 фахових статей і 7 винаходів) без співавторів. Отримані результати і особливості їх використання відображені також у технічних описах і методиках та 5-и зареєстрованих звітах з НДР.

Структура та обсяг. Дисертація містить вступ, шість розділів, висновки, список використаних джерел і додатки. Загальний обсяг дисертації становить 365 сторінок, у тому 287 сторінок основного тексту, 75 рисун-ків та 22 таблиці, перелік вико-ри-ста-них джерел з 379 бібліографічних найменувань на 42 сторінках, додаток на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми розвитку методів і засобів та ство-рення електромагнітної ІВС для обстежень стану ПКЗ ПТ, роз-крито її зна-чу-щість, зв’язок з науковими програмами, сформульовано мету і завдан-ня досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі зроблено огляд і аналіз літератури в галузі інформаційно-вимі-рювальних систем обстежень стану захисту від корозії підземних сталевих трубо-проводів, показано необхідність проведення досліджень і розробок у галузі ІВС. Окреслено основні етапи розвитку методів досліджень корозійного стану металу в електролітичному середовищі, характеристики ґрунтової корозії, фактори небез-пеки та вимоги до захисту, на підставі яких було розроблено комплексний захист, що включає пасивний захист підземних (підводних) сталевих трубо-проводів ізоляційними покриттями та активний – катодною поляризацією. Корозію техно-логічного обладнання досліджують методами поляризаційного потенціалу, поляризаційного опору, зміннострумового імпедансу та іншими.

Для обстежень, контролю, діагностики і моніторингу технічного стану систем магістральних трубопроводів використовують ІВС, які можна розділити на три типи (рис. .1). Стаціонарні ІВС реалізуються системами давачів, розміщених у певних точках траси і зв’язаних з диспетчерським пунктом. Внутрітрубну дефектоскопію металевої стінки труби реалізують спеціальними магнітними чи ультразвуковими системами (снарядами відбору і накопичення вимірювальної інформації), які пропускають по трубопроводу з потоком транспортованого продукту. Найбільше інформації про стан ПКЗ дають системи польових експедиційних обстежень. Серед них можна виділити ІВС трьох видів (рис. .1).

Рис. .1. Системи обстежень магістральних трубопроводів.

Ізоляційні покриття контролюють поопераційно у процесі спорудження; на ПТ у процесі експлуатації стан ізоляції і поляризаційний потенціал вимагається обстежувати періодично, не менше 1 разу на рік. Вимірюють різницю потенціалів UTe між металом трубопроводу та мідно-сульфатним електродом порівняння (ЕП), встановленим на поверхні землі над трубопроводом, при вимкненій та увімкненій УКЗ та струм IA на виході УКЗ. Отримують деяку інтегральну оцінку перехідного опору труба-сере-довище (ґрунт) RTg на всій зоні дії УКЗ, границі якої точному визначенню на діючих трубопроводах не піддаються через нерівномірність розподілу струму і потен-ціалу. Пошкодження ізоляції ПТ шукають методами вине-сення електрода та вимірювань напруги на поверхні ґрунту. Виявляють аномалії електричного поля, за якими відшукують локальні наскрізні пошкодження ізоляції.

Названі методи разом з відповідними засобами (вольтметри, амперметри) становлять електрометричну ІВС польових обстежень магістральних трубо-проводів. Для визначення корозійної активності ґрунту та швидкості корозії металу трубопроводу недавно розроблена електрохімічна мікропроцесорна система. Недо-ліками цих ІВС є труднощі забезпечення достатньої кількості надійних контактів вимірювача з трубопроводом і землею, недостача інформації для кількісних оцінок стану ізоляції та вилучення похибок, спричинених неоднорідностями середовища і глибини залягання трубопроводу вздовж траси. Названі недоліки усуваються безконтактними електромагнітними методами, для реалізації яких необхідні дослідження інформативних ознак ЕМ поля, розробки засобів вимірювань, створення ЕМ ІВС обстежень ПКЗ ПТ.

У другому розділі розглянуто електромагнітне поле на трасах трубопроводів з точки зору його використання для розвитку ЕМ моніторингу трубопроводів, проаналізовано електричні струми ПТ, особливості їх вимірювання без розриву кола, визначення розміщення трубопроводу, описано методи БВС (рис. .1) в захованому лінійному провіднику, дано їх класифікацію, розглянуто перехідний опір як основний показник стану захисних покрить та представлення трубопроводу лінією з розподіленими параметрами з еквівалентною електричною схемою.

Рис. .1. Способи безконтактних вимірювань струмів ПТ.

На трасах ПТ існують електромагнітні поля природного поход-ження і техно-генні, створені радіостанціями, промисловими і технологічними джерелами. Останні потужніші у діапазоні низьких частот, найбільш придатному для ЕМ обстежень ПТ. При цьому необхідно враховувати наявність потужних квазі-постій-них блукаючих струмів та геомагнітного поля. Струми від електрифікованого рей-кового транспорту, ліній електропередач, гальванічних металургійних установок нако-пичуються у протяжних трубопроводах, досягаючи іноді сотень ампер, чим ство-рюють серйозну небезпеку корозії блукаючими струмами. Переважна більшість ПТ обладнана УКЗ, які подають від електромережі на трубопровід випрямлений пульсуючий струм силою до кількох десятків ампер. Пуль-суючий струм має постійну і змінну складові (гармоніки), що описуються рядом Фур’є; постійну складову можна оцінити за вимірами змінних складових струму.

З методологічної точки зору різні ЕМ поля і струми можна розглядати як завадонесучі, чи носії корисної інформації для обстежень, контролю і діагностики об’єкта. Розподіл струмів вздовж траси найбільш чутливий до характеристик середовища і стану ізоляційних покрить трубопроводу, тому має важливу інформацію про стан ПКЗ ПТ. За розв’язками рівнянь довгої лінії перехідний опір труба-земля ділянки L ПТ виражається формулою

, (2.1)

де вхідний опір R1=V1/J1; V1 – напруга труба-земля на початку ділянки; J1, JL – струм у трубопроводі на початку та на кінці ділянки.

Відомі контактні методи вимірювання струму (падіння напруги, компенсації) потребують безпосереднього електричного контакту з металом труби у двох і більше точках, що неприйнятно для великої кількості вимірювань, які треба проводити при обстеженнях протяжних магістральних трубопроводів. Безконтактні інтегральні методи вимірювань струму, що базуються на вимірюванні циркуляції магнітного поля H по замкнутому контуру l, який охоплює провідник зі струмом, і реалізуються як пояс Роговського чи струмові кліщі, можуть засто-совуватись на трубопроводах лише в особливих випадках наявності кругового доступу (на виході труби з землі, у шурфах).

Для вимірювань струмів у захованих ПТ найбільш придатні непрямі безкон-тактні диференційні методи за характеристиками створеного струмом магніт-ного поля (МП). При цьому необхідно забезпечувати пошук трубо-проводу, визна-чення його координат, глибини залягання. Для прямолінійного струмопроводу в суміщеній з ним циліндричній системі координат МП струму J має лише одну азимутальну компоненту Hj, пов’язану з силою струму співвідношенням J=2prHj, де r – відстань точки спостереження від осі струмопроводу. Силу струму можна знайти за виміром МП в одній точці та визначенням відстані шляхом переміщень магнітоприймача, але це мало придатне для регулярних обстежень. Для БВС у польових умовах необхідні два або більше давачів МП з фіксованим (вибраним) взаємним розміщенням. Серед відомих та запропонованих автором диференційних методів БВС (рис. .1) способи 1-4, 16 з радіальною орієнтацією бази точок спостереження називаємо градієнтними; способи 5-9, 17,18 з азиму-тальною базою – паралаксні; способи 10-15 інваріантні щодо орієнтації бази в площині, перпендикулярній струмопроводу (12 допускає відхилення від цієї площини). Способи 4, 5, 13, 16, 17, 18 – різницеві для вилучення впливу стороннього однорідного магнітного поля на БВС. У способах 3, 15, 18 допус-кається використання модульних приймачів МП (без врахування орієнтації у даних точках спостереження); в інших передбачаються вимірювання або індикація (на рис. .1. показано білими і чорними прямокутниками відповідно) певної компоненти вектора напруженості МП. Методи чи пристрої БВС 7-10, 15-19 та пристрої на базі 1' запропоновані при виконанні даної роботи.

Рис. .1. Підземний трубопровід з ізоляційним покриттям і установкою катодного захисту (SKP). Складові EM поля струму трубопровідної лінії.

Третій розділ присвячено роз-витку ТЄММ і дослідженням інфор-ма-тивних ознак ЕМ поля ПТ. З елек-тро-динамічної точки зору сталевий ізольо-ваний ПТ (рис. .1) представ-ляється циліндричною багатошаровою струк-турою, електричні і магнітні ком-по-ненти поля якої описуємо поз-дов-жні-ми компонентами електрич-но-го Pe та маг-ніт-ного Pm векторів Герца, що задо-воль-няють рівнянню Гельмгольца, до якого зводяться рівняння Максвела. Змінне з частотою w поле у кожній з підобластей структури представляємо розкладом по елементарних хвилевих функціях виду

, (3.1)

де – попе-речні хвиле-ві числа підобластей (l=b,T,i,c); – хвильове число середовища; al – радіуси труби і ізоляції; радіальні функції поля виражаються комбінаціями функцій Бесселя за граничними умовами і опи-су-ють електромагнітні і метричні пара-метри структури; постійні поширення g визначаються дис-персійним трансцендентним рівнян-ням, яке зводимо до рівності радіаль-них адмітансів на по-вер-хні труби,

при r=aT. (3.2)

Поле поширюється вздовж тру-бо-проводу, в основному, у виді квазі-ТЕМ-хвилі, яка існує при всіх (у т.ч. і ну-льовій) частотах. Це дозволяє пред-став-ляти трубопровід з оточенням (зем-лею) довгою лінією, розподілені параметри якої R, L, C, G визначають на основі розв’язків крайових задач електро-динаміки. Залежності поши-рення поля від параметрів структури досліджують з допомогою еквіва-лен-тних електричних схем заміщення, які наглядно представляють електро-маг-нітні процеси і полегшують їх аналіз.

Для природних ґрунтів, яким властиві немагнітність і невисока елект-ро-провідність, при частотах менших 1500 Гц, створене струмом ПТ магнітне поле згідно (3.1) на малих відстанях від труби (у зоні вимірювань) описується формулою

, при |ncr|<<1, (3.3)

що дає підставу для моделювання ПТ лінійними струмопроводами.

Запропонована концепція триєдиної математичної моделі (ТЄММ) схема-тично представлена на рис. .2. Основою ТЄММ є теорія ЕМ поля циліндричних структур. Складність об’єкта призводить до громіздких розв’язків, тому методо-логічно доцільно розглядати спрощені моделі (еквівалентні схеми, лінійні струми). Характеристики просторового розподілу МП є основою для вибору вимірюваних параметрів (вхідних величин) та побудови алгоритмів і систем БВС і координат ПТ. ТЄММ дає можливість ефективно досліджувати електро-маг-ніт-ні явища, пов’язані з корозійним станом ПТ, полегшує виявлення і аналіз інформативних ознак ЕМ поля та розробку методів і систем обстежень ПКЗ, є теоретичною основою ЕМ ІВС.

Рис. .2. Структура ТЄММ ЕМ поля ПТ.

ЕМ поле гібридних хвиль двох паралельних трубопроводів (рис. .3) описуємо двома парами складових та , кожна з яких представляє собою дифракційний ряд. Для поля у зовнішній області – середовищі, що оточує циліндри, користуючись формулою сумування бесселевих функцій, поле другого циліндра записуємо у координатах першого циліндра і навпаки

, rsas, (3.4)

де sj; s, j=1, 2 – вказують номер циліндра; p=e, m; xn – коефіцієнти визначаються граничними умовами, які повинні виконуватись одночасно на поверхнях обох циліндрів, що призводить до нескінченої системи лінійних алгебраїчних рівнянь (НСЛАР) відносно невідомих коефіцієнтів і розкладів ЕМ поля в під-області ізоляції кожного трубопроводу та середовища

,

+Hzn(as),

(3.5)

де n, q=0,±1,±2,…; Czn(r),, Mjn(r) – радіальні залежності гармонік відповідних ком-по-нент поля, вони містять у собі фактори деполяризації ; Еzn,…, Hn – просторові гармоніки збуджуючого поля. Якщо Dn>0, то (3.5) розпадається на окремі системи для Е і Н- поляризованих хвиль. Нульові елементи Cz0,, M0 описують симетричні хвилі одного циліндра; інші – взаємозв’язані асиметричні хвилі двох паралельних трубопроводів. При b>>as матричними елементами у сумах по р можна знехтувати; тоді (3.5) розпадається на дві окремі системи, поле кожного з трубопроводів тоді не залежить від іншого.

Аналізом БВС двох паралельних струмів показано, що впливом паралельного завадонесучого струму J2 можна знехтувати, якщо J1/h J2/b12; тоді методична похибка вимірювань струму J1 не перевищує 1%. Розглянуто еліптичну поляризацію МП паралельних несинфазних струмів (рис. .3); отримано аналітичні вирази умов виникнення кругової поляризації поля на трасах магістральних трубопроводів.

Просторовий розподіл поля струму, що рівномірно натікає у ПТ (чи витікає з ПТ у ґрунт), ана-лі-зуємо на основі відомого розв’язку квазістатичної задачі. Інтегруваннями напруженості електричного поля показано, що падіння напруги в ґрунті над ПТ можна визначати за виміром напруги на поверхні землі за фор-му-лою

. (3.6)

Відносні похибки електрометричних методів "поперечної напруги" та винесення електрода, спричинені зміщенням x електрода від проекції осі труби на поверхню землі, описується формулами

Ux =, , (3.7)

де введена характеристика траси – опірний коефіцієнт трубопроводу . Допустиме зміщення хM електрода від проекції осі труби на по-верхню землі для забезпечення достатньої точності (максимально допу-стимої похибки U) вимірю-вання UTg, оцінюємо виразом

, (3.8)

отже, хM залежить від діаметра трубопроводу і відношення опору рунту g до опору захисного покриття RTg, та від глибини h залягання трубопроводу.

Для циліндричної труби з зовнішнім радіусом aT і товщиною tT, віднесеною до aT, в однорідному магнітному полі H0 отримано еквівалентний магнітний момент "дипольної нитки"

, (3.9)

що характеризує вторинне поле намагнічення трубопроводу.

Проаналізовано функції профілювання МП поперек траси; уточнена процедура визначення глибини залягання трубопроводу нахиленим давачем МП.

На основі аналізу результатів теоретичних досліджень залежностей заникання a струму з частотою f вздовж ПТ від стану його ізоляції запропоновано викори-стовувати заникання ЕМ хвилі в ґрунті ag=0,2,%/м] як критичне для оцінки стану ізоляції за БВС. Результати експериментальних вимірювань підтвер-дили, що при a>ag стан ізоляції ПТ незадовільний.

Для ПТ з локальним пошкодженням ізоляції z1<zs<z2 розглянуто окремо круговий (осесиметричний) та секторіальний |j  js|<jd (з порушенням кругової симетрії) дефекти ізоляції. Для останнього (після вилучення невідомих амплітуд поля інших підобластей) методом перерозкладу функціональних рівнянь задача приведена до двох НСЛАР

, (3.10а)

і подібні вирази для Ej і Hj компонент, де l=T,i; dp0 – символ Кронекера,

, (3.10б)

і аналогічні вирази для Ej, Hr, Hj при z=z1, z2. Множники u означають інтеграли по азимуту від тригонометричних функцій. Постійні поширення g визначаються розв’язками дисперсійних рівнянь для відповідних ділянок трубопроводу. Невідомими в цій системі лінійних алгебраїчних рівнянь є амплітуди , , , прос-торових гармонік гібридних хвиль, що відбились і пройшли внаслідок дифракції на неоднорідності трубопроводу. Отримані НСЛАР можна розв’язувати методами редукції та ітерацій.

Над ПТ, струм J якого в точках z=zs пошкоджень ізоляції s=1,2,… зменшується на величини Js витікання (рис. .4) МП описуємо формулами

, , , (3.11)

де , ,

, . (3.12)

Методична похибка Dhs визначення глибини залягання ПТ, спричинена витіканням струму, з наближенням до zs (z<zs) від’ємна, після zs Dhs>0, а над пош-ко-дженням (z=zs) Dhs=0. Зі зменшенням h похибка Dhs збільшується. Виміри струму при цьому плавно зменшуються від J до J  Js; над пошкодженням z=zs отримуємо J  Js/2. Аналіз за формулами (3.11) показує, що методом БВС можна розрізняти локальні пошкодження ізоляції, розміщені на віддалі вздовж ПТ не меншій глибини залягання ПТ. |

Рис. .3. Локальні координати паралельних трубопроводів. Еліптична поляризація МП. | Рис. .4. Магнітне поле струму, що витікає через пошкодження ізоляції ПТ. | Четвертий розділ присвячено розробці методів БВС, розглянуто розв’язок оберненої задачі для прямолінійного струму, частинні ви-пад-ки розміщення точок спостереження, алго-рит-ми вимірювань струмів за компонентами МП у двох точках, з корекцією відстані, за моду-лями напруженості МП у трьох точках, ме-тоди БВС витікання, координат і струмів пара-лель-них кому-ні-ка-цій, постійного струму, а також цик-ліч-ний ме-тод визначення коор-динат та метод виз-на-чення нап-рямку пульсуючого струму за його гармоніками.

Рис. .1. Вимірювані компо-ненти напруженості МП струму в двох точках над ПТ.

Проаналізовано необхідні і достатні умови визначення прямолінійного струму і його коор-ди-нат за МП струму у двох точках спостереження, зв’язаних базою b. Показано, що напрям струмопроводу в просторі виз-начається за рівностями нулю взаємно пара-лельних і ортогональних базі компо-нент МП у двох точках, якщо при цьому не рівні нулю паралельні базі компоненти МП. Тоді база є розміщена у площині пер-пен-ди-ку-лярній трубопроводу азиму-таль-но (рис. .1); реалізується пара-лак-сний метод БВС (див. рис.2.1.10) за формулою

, (4.1)

У частинному випадку Hy1=0 маємо jA=90 і вісь y1 проходить через струмопровід; отримуємо спосіб БВС, названий "півазимутальним" (рис. 2.1.9); (4.1) спрощується:

J=2pbHx1Hx2/Hy2. (4.2)

При зміщенні бази AB вправо, мати-мемо jA>90, компоненти Hy1 і Hy2 стають одно-нап-равленими (син-фаз-ними), h=–1; проекція осі струмопроводу на вісь бази AB опи-ня-ється поза базою. При подальшому зміщенні бази або її повертанні jA180 паралельні базі компоненти Hx1, Hx2 зменшуються до нуля, база переходить у радіальну орієнтацію відносно струмо-про-воду; переходимо до відомого градієнт-ного методу БВС (рис. .1.1), J=2pbHy1Hy2/(Hy1– Hy2). У раді-аль-ній від струмопроводу площині база буде перпендикулярною струмопроводу лише тоді і тільки тоді, коли різниця напру-же-ностей ПМ у точках спосте-ре-ження (при поворотах бази) досягне макси-маль-ного значення.

З аналізу похибок БВС, спричинених неточними вимірами компонент МП, випливає, що оптимальною для радіального і півазимутального методів є довжина бази, співмірна з відстанню до струмопроводу b=h, а для симетричного розміщення точок спостереження (рис. .1) b=2h. При зміщеннях бази AB поперек траси найменші похибки мають місце при jA=jB або jA=90 чи jB=90.

Даному методу БВС властива інформаційна надлишковість: чотири виміри і три незалежні невідомі (струм, відстань і зміщення бази). Це дає можливість "внутрішнього" контролю точності БВС. Переставляючи місцями індекси 1 і 2 у формулі (4.1) маємо дві