Наверх

Внутритрубный контроль технологических трубопроводов компрессорных станций ОАО «Газпром» с применением роботизированных сканеров

Для обеспечения функционирования системы управления техническим состоянием и целостностью площадных объектов компрессорных станций ОАО «Газпром» необходимо наличие актуальной и объективной информации о фактическом техническом состоянии трубопроводов, получаемой, в том числе, при проведении работ по внутритрубной диагностике.

В статье описывается внутритрубный автономный роботизированный сканер-дефектоскоп А2072 «IntroScan», его конструктивные особенности, диагностические возможности и результаты опытно-промышленной эксплуатации, проходящей на объектах компрессорных станций ООО «Газпром трансгаз Сургут».

Введение

В настоящее время Департаментом по транспортировке, подземному хранению и использованию газа ОАО «Газпром» ведется работа по определению лучших международных практик строительства и эксплуатации объектов транспортировки газа с целью формирования системы управления техническим состоянием и целостностью (СУТСиЦ) площадных объектов.

Основными целями разрабатываемой системы являются:

В рамках этой работы на ряде компрессорных станций газотранспортного Общества «Газпром трансгаз Сургут» выполняется пилотный проект, реализующий концепцию долгосрочного планирования мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту технологических трубопроводов компрессорных станций (ТТ КС). Данный подход подразумевает наличие актуальной и объективной информации о фактическом техническом состоянии трубопроводов. Наиболее эффективной технологией получения подобной информации являются периодические диагностические обследования ТТ КС с использованием внутритрубных устройств.

Особенности внутритрубной диагностики ТТ КС

Непосредственное использование технических средств (снарядов-дефектоскопов) внутритрубной дефектоскопии (ВТД), широко применяющихся для диагностики линейной части магистральных газопроводов (ЛЧ МГ) практически невозможно на ТТ КС из-за сложной пространственной конфигурации системы трубопроводов, наличия большого числа изгибов труб, подъёмов, ответвлений. Кроме того, снаряды-дефектоскопы для ЛЧ МГ рассчитаны на движение в потоке газа со скоростями от 1 до 10 м/с, что невозможно реализовать на ограниченных участках ТТ КС, имеющих протяжённость, как правило, от 200 до 2000 м.

Поэтому для диагностики ТТ КС необходима разработка специализированных сканеров-дефектоскопов (СД), имеющих возможность самостоятельно передвигаться внутри трубопроводов, преодолевать криволинейные и вертикальные участки и самое главное – нести на себе диагностическую аппаратуру, обеспечивающую получение объективной информации о состоянии внутренней полости и геометрии ТТ КС, о наличии дефектов в основном металле тела трубы и в сварных швах.

Основные технические условия к устройствам для ВТД ТТ КС и технологиям выполнения работ сформулированы в нормативных документах [1, 2]. В них определены требования как к транспортным модулям, так и к их дефектоскопическим характеристикам СД.

В настоящее время как на рынке России, так и на международном уровне не имеется технических решений и предложений полностью удовлетворяющих техническим условиям вышеуказанных нормативных документов и полноценно решающих задачи ВТД ТТ КС. Поэтому проблема создания подобных устройств и технологий является актуальной.

Внутритрубный автономный роботизированный сканер-дефектоскоп А2072 «IntroScan»

Базируясь на накопленном положительном опыте, с одной стороны выполнения диагностики ТТ КС известными методами, а с другой стороны сложных проектов по созданию комплексов аппаратуры для неразрушающего контроля, компаниями ООО «ЭНТЭ» и ООО «Акустические Контрольные Системы» в 2012 году было принято решение о совместной разработке технических средств и технологий для внутритрубной дефектоскопии ТТ КС. С этой целью была организована специализированная компания ЗАО «ИнтроСкан Технолоджи», которая за прошедший период выполнила соответствующий комплекс работ и к настоящему моменту разработала сканер-дефектоскоп А2072 «IntroScan» предназначенный для решения проблемы ВТД ТТ КС.

Основой этого СД является компактная транспортная платформа, обеспечивающая перемещение СД во внутренней полости трубопроводов ТТ КС, передвигаясь по деталям (трубы, отводы, тройники, ЗРА) диаметром более 300 мм (рис. 1). Габаритные размеры СД составляют 400 х 230 х 210 мм при массе порядка 16 кг.

Рис. 1. Внутритрубный автономный роботизированный сканер-дефектоскоп А2072 «IntroScan» и его основные системы

Использование 4-х магнитных мотор-колёс (рис. 1) с общим усилием отрыва более 100 кг позволяет перемещаться СД по горизонтальным ферромагнитным поверхностям, по потолку и вертикальной стене. В мотор-колёсный модуль встроены датчики Холла, контролирующие напряжённость магнитного поля контура «колесо – поверхность», что обеспечивает как регистрацию переезда стыковых сварных швов, так и предотвращение «отрыва» колеса от ферромагнитной поверхности при наезде на препятствие.

Независимое управление поворотом и реверсом мотор-колёс создаёт необходимую манёвренность при движении СД. За счёт большого зазора между поверхностью трубы и рамой транспортной платформы (клиренса) предусмотрено преодоление препятствий типа «90° угол», что требуется для заезда в тройниковые отводы труб.

Вышеуказанные транспортные и массогабаритные характеристики были заданы и реализованы с целью обеспечения загрузки СД в ТТ КС через технологические люки и свечные линии диаметром от Ду 300 мм.

В А2072 «IntroScan» используется бортовое аккумуляторное питание, рассчитанное на 10 часов автономной работы как транспортной, так и диагностической части СД. Это позволило отказаться от питающе-связного кабеля, ограничивающего максимальное удаление СД от места загрузки в ТТ КС. В процессе работы осуществляется контроль за остаточной ёмкостью батареи с целью обеспечения достаточного энергозапаса для гарантированного возврата СД к точке загрузки. Полный заряд аккумуляторной батареи осуществляется за 30 минут, что обеспечивает возможность полноценного использование комплекса при 3-х сменном рабочем дне.

Контроль за действиями СД и управление им осуществляется оператором через внутритрубный радиоканал, работа которого основана на волноводном эффекте распространения радиоволн внутри ТТ КС. На борту СД имеется WiFi модуль с антеннами, а в точке загрузки ТТ КС располагаются стационарные антенны, связанные кабелем с рабочим местом оператора. Пульт оператора размещается стационарно в салоне специализированного автомобиля, который дополнительно оснащается всем необходимым диагностическим и вспомогательным оборудованием. В ходе проведения испытаний было установлено, что дальность внутритрубной связи превышает 1500 м, а геометрия трубопровода не оказывает влияния на её качество. При этом пропускная способность канала связи достаточна для передачи измерительной, управляющей и видеоинформации в режиме реального времени.

Транспортный модуль СД оснащён 3-х осевым датчиком наклона, что в сочетании с датчиком пути даёт возможность формировать трёхмерную карту пройденного участка ТТ КС на компьютере оператора. Данная информация необходима как для пространственной привязки результатов измерений, так и для навигации внутри ТТ КС при выполнении процедур сканирования.

Скорость перемещения СД в транспортном режиме составляет 5 м/мин. При выполнении операций неразрушающего контроля скорость будет определяться требованиями используемого метода контроля. Максимальное удаление контролируемого участка от места загрузки определяется бортовым энергозапасом СД и дальностью устойчивой радиосвязи. Расчётное значение этого параметра составляет 1500 м.

Диагностические системы сканера-дефектоскопа А2072 «IntroScan»

При проектировании СД А2072 «IntroScan» применялся системный подход, при котором конструкция транспортного модуля разрабатывалась в комплексе со средствами диагностики, визуального контроля и множества вспомогательных измерительных систем, необходимых для получения достоверной и полной информации о текущем техническом состоянии ТТ КС. Поэтому первичным моментом при разработке подобных систем является выбор технологий диагностики необходимых для обнаружения типовых дефектов, обобщённый перечень которых приведён в таблице 1.

Таблица 1.

Для диагностической системы разработанного СД были выбраны методы ультразвукового и оптического неразрушающего контроля, которые в комплексе обеспечивают возможность обнаружения дефектов общей коррозии, КРН, расслоений, дефектов сварных швов, отклонений геометрии трубы, вмятин и гофров.

Модуль оптического контроля (рис. 1) контроля включает в себя HD камеру с 5 Мп матрицей и объективом с углом зрения 180 градусов, два светодиодных прожектора и привод поворота модуля в вертикальной плоскости. Скорость передачи видеоинформации с учётом пропускной способности радиоканала – до 20 кадров в секунду, что обеспечивает потенциальную производительность визуального контроля до 5 погонных метров в минуту. Дополнительно в этом же модуле размещён датчик измерения концентрации метана и проекционный лазер.

На транспортной платформе размещены два идентичных оптических модуля – в передней и задней частях корпуса. Направление обзора определяется оператором. Необходимость второй камеры обусловлена возможностью реверсного перемещения сканера в трубах малого диаметра (Ду менее 500 мм), в которых невозможно выполнить разворот. С помощью видеокамер осуществляются визуальный контроль внутреннего состояния ТТ КС и сварных соединений, операции управления и маневрирования. В сочетании с проекционным лазером через видеоканал выполняются измерения нестыковки кромок сварных швов и отклонений от нормы внутренней геометрии ТТ КС.

Как видно из таблицы 1 для контроля состояния всех элементов и деталей ТТ КС необходимо использовать два эхо-метода УЗ контроля – низкочастотный (НЧ) волноводный для поиска дефектов основного металла тела трубы (индикаторный контроль) и высокочастотный томографический для дефектоскопии сварных соединений и вторичного контроля (измерительный контроль).

Существенным фактором, ограничивающим применение УЗ методов при внутритрубном контроле, является необходимость применения контактной жидкости, необходимой для передачи упругих колебаний от пьезопреобразователя в металл и обратно. Для условий ВТД ТТ КС это означает необходимость значительного автономного запаса (до несколько десятков литров) жидкости на борту СД, что существенно влияет на конструкцию, габариты, массу СД и на технологию выполнения диагностических работ. Поэтому для исключения необходимости применения контактной жидкости, но при необходимости реализации УЗ методов контроля в разрабатываемом СД в диагностических модулях заложено применение технологий сухого точечного контакта (СТК) и электромагнитно-акустического (ЭМА) способа возбуждения и приёма УЗ колебаний.

Система УЗ НЧ волноводного контроля построена на базе СТК, позволяющей возбуждать и принимать УЗ колебания в стенке трубы без применения контактной жидкости – только за счёт трения керамического протектора преобразователя с поверхностью металла. Набор из 32-х преобразователей СТК образует антенную решётку (АР), фазируемую в требуемом направлении и формирующую направленные УЗ волны в стенке трубы. Диапазон рабочих частот лежит в области НЧ ультразвука – от 20 до 80 кГц. Дальность распространения УЗ волн в стенке трубы с изоляционным покрытием составляет несколько метров. При наличии аномалии на пути распространения волны возникают эхо-сигналы, которые регистрируются той же АР, работающей в приёмном режиме. За счёт использования эффекта волноводного распространения УЗ волн в стенке трубы может быть обеспечен контроль всего тела трубы при перемещении СД только по линии образующей, т.е. без необходимости сканирования всей внутренней поверхности ТТ КС. Таким образом реализован поисковый (индикаторный) контроль в СД А2072 «IntroScan» с производительностью не менее 0,3 погонных метра в минуту. Чувствительность этого метода позволяет обнаруживать дефекты основного металла с высотой более 15% от толщины стенки детали.

Конструктивно модуль УЗ НЧ волноводного контроля на базе АР СТК имеет размер порядка 120х100х100 мм (рис. 1). В рабочем режиме он с помощью сервоприводов прижимается к поверхности трубы, причём каждый преобразователь СТК в АР имеет адаптивный индивидуальный прижим. В процессе сканирования происходит пошаговое перемещение СД, зондирование и регистрация эхо-сигналов и передача их на пульт оператора. В транспортном режиме АР поднимается в верхнее положение для обеспечения переезда всех типов препятствий.

Работоспособность и параметры по чувствительности к дефектам для технологий СТК контроля проверялись практически и моделировались вычислительными методами (методом конечных элементов). По результатам стендовых испытаний в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» было установлено, что чувствительность контроля волноводным методом при выявлении дефектов соответствует требованиям к диагностическим модулям «индикаторного» типа, согласно «Временным техническим требованиям к диагностическим комплексам для внутритрубного диагностирования технологических трубопроводов компрессорных станций ОАО «Газпром» [2].

Для решения задач измерительного контроля – т.е. селекции типов и определения размеров обнаруженных дефектов, а так же для поиска дефектов в сварных швах предполагается использовать высокочастотный (в диапазоне 0,5 – 2,0 МГц) УЗ эхо-импульсный метод. Для возбуждения и приёма УЗ колебаний в данном диапазоне частот без использования контактной жидкости целесообразно применять ЭМА эффект. Разработка соответствующей АР для СД А2072 «IntroScan» в габаритах аналогичных АР СТК планируется на следующем этапе работы в 2015…2016 годах. На текущий момент имеются результаты вычислительных и экспериментальных исследований и лабораторные макеты ЭМА АР, подтверждающие работоспособность и эффективность предложенных решений.

Особенности технологии диагностирования с использованием СД

В процессе выполнения диагностики ТТ КС с применением ВТД СД предполагается и предусматривается ряд типовых технологических операций и возможных режимов работы измерительных систем и траекторий движения СД (рис. 2), краткое описание которых приведено ниже.

1. Загрузка СД во внутреннюю полость трубопровода

2. Волноводный контроль стенки трубы при поперечном прозвучивании

При необходимости цикл сканирования для каждого отрезка трубы может быть повторен 2-3 раза при изменении положения СД на окружности трубы. Это позволит повысить чувствительность и достоверность результатов контроля за счет совместной обработки сканограмм.

Рис. 2. Варианты траекторий движения СД при различных режимах ВТД

Продольная скорость движения СД в режиме волноводного контроля оставляет 0,3 м/мин. С учетом средней длины одной трубы порядка 10 м, продолжительность контроля одной трубы одним СД составит около 35 минут. Производительность контроля можно увеличить при увеличении числа СД и одновременным контролем разных участков трубопровода.

3. Контроль при продольном прозвучивании

4. Вторичный измерительный контроль

В случае обнаружения дефектных областей трубы по результатам выполнения процедур продольного или поперечного прозвучивания, может потребоваться проведение дополнительного (вторичного) измерительного контроля с целью уточнения типов обнаруженных дефектов и измерений их размеров. Для этого СД перемещается в точку с координатами соответствующими координатам обнаруженного дефекта и в томографическом режиме выполняет минимум два цикла сканирования - в продольном и поперечном направлениях.

5. Измерение геометрии трубы

Основано на принципе измерения смещения положения проекции лазерного луча на стенке трубы при изменении расстояния от лазера и видеокамеры до стенки трубы при различных ракурсах камеры и лазера. При этом лазер формирует кольцевую линию на внутренней поверхности стенки трубы, а с помощью видеокамеры фиксируются отклонения этой линии от идеальной окружности, что и является искомой информацией о геометрии трубы.

6. Аварийный режим

При эксплуатации комплекса возможно возникновение ситуации, когда СД может выйти из строя при нахождении его внутри трубопроводной системы. При этом причины отказа техники и последствия их проявления могут быть различными. Например - разряд аккумулятора, потеря связи, потеря управления и самопроизвольные действия СД, падение с высоты и обездвиживание, механическая поломка транспортных узлов и т.п. В этом случае предусмотрены различные варианты ситуаций и разработаны соответствующие технические и технологические решения для извлечения неработоспособного устройства:

АСУ ТП внутритрубный контроль «IntroScan»

В составе комплекса по ВТД разработано программное обеспечение (ПО) нескольких уровней, предназначенное для решения следующих задач:

  1. Встроенное ПО для СД, обеспечивающее функционирование всех его узлов и выполнение команд оператора в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах, а так же выполнение всех измерительных процедур и передачу измерительной информации на пульт оператора.
  2. ПО на пульте оператора, обеспечивающее возможность управления СД, а так же приема, оперативной визуализации и документирования всей информации, получаемой от СД.
  3. Аналитическое ПО дата-центра, находящееся в ЗАО «ИнтроСкан Технолоджи» и предназначенное для хранение результатов контроля получаемых от всех комплексов ВТД ТТ КС, проведения сравнительного анализа состояния ТТ КС различных КС и формирования информационных сообщений для руководства заинтересованных подразделений ОАО «Газпром» (рис. 3).

Рис. 3. Терминал визуализации построенной 3-D модели обследованного трубопровода
с данными об обнаруженных дефектных участках

При функционировании АСУ ТП реализуются следующие задачи:

Полевые испытания на объектах ООО «Газпром трансгаз Сургут»

В течение 2014 года были проведены полевые испытания и опытно-промышленная эксплуатация СД на объектах ООО «Газпром трансгаз Сургут».

Данные работы проводились на технологических трубопроводах КС-4 «Приобская», КС-7 «Демьянская», КС-11 «Богандинская», выведенных из эксплуатации на период проведения диагностических работ (рис. 4).

Рис. 4. Установленные на поверхность трубы СД и передающая радиоантенна при проведении полевых испытаний
на объектах ООО «Газпром трансгаз Сургут»

В ходе проведения полевых испытаний были подтверждены основные характеристики разрабатываемого комплекса ВТД:

Выводы

В результате исследовательских работ ЗАО «ИнтроСкан Технолоджи» по разработке внутритрубного автономного роботизированного сканера-дефектоскопа А2072 «IntroScan» и проведении его опытно-промышленной эксплуатации на объектах КС ООО «Газпром трансгаз Сургут» был получен комплекс для проведения работ по внутритрубной диагностике, удовлетворяющий требованиям системы управления техническим состоянием и целостностью площадных объектов компрессорных станций, а именно: