1. Цель исследований. Установить возможность, методы и состав оборудования для определения толщины солевых отложений на внутренней поверхности трубопроводов. Указанное определение толщины должно выполняться с наружной стороны трубопроводов в процессе их эксплуатации.
2. Объект исследований. Предоставленные Заказчиком образцы труб из полимерных композиционных материалов (наружный слой изготовлен из стеклопластика толщиной 4 мм, внутренний слой из полиэтилена толщиной 3 мм), а также образцы солевых отложений толщиной до 45 мм (далее – объекты контроля).
3. Предлагаемый метод определения. Толщину солевых отложений предлагается определять одним из методов ультразвукового контроля (УЗК), а именно импульсным эхо-методом. При этом с помощью специализированного прибора и преобразователя в объект контроля вводится ультразвуковой сигнал, который проходит через стенку трубы и солевое отложение, отражается от границы раздела солевого отложения с воздухом или с рабочей средой трубопровода (жидкость – насыщенный солевой раствор), после чего проходит тот же путь в обратном направлении и регистрируется тем же преобразователем на наружной поверхности трубы. По измеренному времени прихода указанного сигнала, известным значениям скорости звука в солевых отложениях и некоторых других параметров, которые предварительно определяются на соответствующих образцах труб и солевых отложений, в приборе производится автоматический расчет толщины солевого отложения.
4. Применяемое оборудование. В исследованиях применялось следующее оборудование для ультразвукового метода неразрушающего контроля производства компании «Olympus»: многоканальный дефектоскоп «OmniScan МХ2» в режиме «UT» (в указанном режиме технические характеристики генератора и приемника дефектоскопа «OmniScan МХ2» приблизительно соответствуют характеристикам 1-канального дефектоскопа «Epoch 650»), толщиномер «38DLPlus», пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) – прямые, совмещенные, для излучения и приема продольных волн с рабочей частотой 1,0 и 2,25 МГц и диаметром пьезопластины 13 и 25 мм.
5. Результаты исследований.
5.1. Основной особенностью объектов контроля является существенная структурная неоднородность солевых отложений (возможная многослойность и т. п.). Это приводит к высокому ослаблению ультразвукового сигнала при значительном уровне структурных помех, что затрудняет проведение измерений.
5.2. На отдельных участках объектов контроля удалось определить толщину солевых отложений методом, указанным в п. 3 настоящего Технического отчета (в т. ч. и при прозвучивании образца солевых отложений, акустически соединенного с образцом трубы). На других участках толщину солевых отложений определить не удалось – по причинам, указанным в п. 5.1 настоящего Технического отчета. Таким образом, при определении толщины солевых отложений на действующих трубопроводах может понадобиться достаточно большое количество контрольных участков для измерений, из которых необходимо будет выбрать участки с благоприятными условиями распространения ультразвукового сигнала и наиболее достоверными результатами.
5.3. По результатам проведенного сравнения приборов разных типов - дефектоскопов и толщиномеров - для определения толщины солевых отложений рекомендуется применять дефектоскоп модели «Epoch 650». Дефектоскоп превосходит толщиномер по таким техническим характеристикам, как напряжение генератора и усиление приемника. Кроме того, дефектоскоп позволяет применить для определения толщины солевых отложений временной теневой метод контроля (см. п. 5.5 настоящего Технического отчета). В итоге дефектоскоп, по сравнению с толщиномером, позволяет измерять толщину солевых отложений в большем диапазоне, при более высоком затухании ультразвукового сигнала и при более высоком уровне структурных помех.
5.4. По результатам проведенного сравнения рекомендуется применять ПЭП со следующими характеристиками. Диаметр пьезопластины ПЭП должен быть максимальным - 25 мм, что обеспечивает наименьшую ширину диаграммы направленности ПЭП в дальней зоне, максимальную глубину проникновения ультразвукового сигнала и максимальную чувствительность при прочих равных условиях.
Для контроля трубопроводов малого диаметра с относительно тонким слоем солевых отложений и уменьшения ближней зоны ПЭП, в которой могут наблюдаться локальные минимумы интенсивности поля излучения-приема, комплектацию рекомендуется дополнить одним ПЭП с уменьшенным диаметром, а именно с диаметром 13 мм.
Рабочая частота ПЭП выбирается в зависимости от толщины солевых отложений и коэффициента затухания ультразвука в них – с целью обеспечить необходимый баланс между разрешением (точностью измерения толщины), которое снижается с уменьшением рабочей частоты и глубиной проникновения (максимальной измеряемой толщиной), которая возрастает с уменьшением рабочей частоты.
На основании предварительных оценок рекомендуется применять ПЭП со следующими рабочими частотами:
- 2,25 МГц – для определения малых толщин солевых отложений (оценочно от 5 до 20 мм) и при относительно низком затухании ультразвука;
- 1,0 МГц – для определения средних толщин солевых отложений (оценочно от 20 до 40 мм) и при среднем затухании ультразвука;
- 0,5 МГц (минимальное значение рабочей частоты для серийно выпускаемых приборов УЗК и ПЭП) – для определения больших толщин солевых отложений (оценочно более 40 мм) и при высоком затухании ультразвука.
Процесс определения толщины образца солевых отложений с применением ПЭП, имеющего диаметр 25 мм и рабочую частоту 1,0 МГц, показан на рисунке.
5.5. При невозможности получения достоверных результатов по определению толщины солевых отложений эхо-методом, для решения указанной задачи может быть применен временной теневой метод контроля. При временно́м теневом методе 2 идентичных по характеристикам ПЭП (один из которых является излучателем, а другой приемником ультразвукового сигнала) устанавливаются в диаметрально противоположных точках поперечного сечения трубы. При этом толщина солевых отложений (при известных значениях скорости звука в солевых отложениях, в рабочей среде трубопровода и некоторых других параметров) определяется по времени распространения сквозного сигнала, прошедшего через поперечное сечение трубы от излучателя к приемнику. По сравнению с эхо-методом теневой метод более сложен для реализации, т. к. он требует установки на объект контроля двух ПЭП с совпадением их акустических осей. Но при этом теневой метод позволяет устранить характерные для эхо-метода структурные помехи, связанные с обратным рассеянием ультразвукового сигнала в объекте контроля. Это, в свою очередь, дает возможность проводить контроль с максимальной мощностью зондирующего импульса и вести прием сигналов с максимальной чувствительностью.
В ходе проведенных исследований теневым методом был получен сквозной сигнал, прошедший через стеклопластиковую трубу с диаметром 180 мм и толщиной стенки 15 мм, заполненную водой. Поместить в указанную трубу образец солевых отложений для экспериментов не удалось по причине быстрого растворения соли в воде.
В связи со сложностью изготовления соответствующих образцов теневой метод определения толщины солевых отложений рекомендуется апробировать на действующих трубопроводах.
Для реализации теневого метода контроля трубопровод должен быть заполнен рабочей средой – жидкостью.
6. Выводы и рекомендации по результатам исследований.
6.1. На предоставленных Заказчиком образцах показана принципиальная возможность определения толщины солевых отложений на внутренней поверхности трубопроводов ультразвуковым эхо-методом.
6.2. В связи с большой структурной неоднородностью солевых отложений для применения указанного метода на действующих трубопроводах необходим поиск контрольных участков с относительно благоприятными условиями распространения ультразвукового сигнала, на которых возможно получение достоверных результатов.
6.3. При невозможности получения достоверных результатов по определению толщины солевых отложений эхо-методом, для решения указанной задачи может быть применен временной теневой метод контроля.
6.4. Рекомендуется следующий комплект системы определения толщины солевых отложений на внутренней поверхности трубопроводов (f – рабочая частота ПЭП, d – диаметр пьезопластины ПЭП).
6.4.1. Ультразвуковой дефектоскоп «Epoch 650» – 1 шт.
6.4.2. ПЭП f=2,25 МГц, d=13 мм – 1 шт. (для контроля эхо-методом).
6.4.3. ПЭП f=2,25 МГц, d=25 мм – 1 шт. (для контроля эхо-методом).
6.4.4. ПЭП f=1,0 МГц, d=25 мм – 2 шт. (для контроля эхо- и теневым методом).
6.4.5. ПЭП f=0,5 МГц, d=25 мм – 2 шт. (для контроля эхо- и теневым методом).
6.4.6. Кабель электрический для подключения ПЭП к дефектоскопу – 2 шт.
6.5. Для отработки технологии контроля рекомендуется провести серию измерений на трубопроводах с последующей разборкой трубопроводов и сравнением измеренных и действительных значений толщины солевых отложений.
6.6. При поставке системы определения толщины солевых отложений рекомендуется проведение пуско-наладочных работ по ее применению непосредственно на действующих трубопроводах.
