МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ И ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ НА ДИАГНОСТИКУ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются теоретические предпосылки возникновения и изменения намагниченности нефтегазопроводов. Анализируются ферромагнитные свойства трубных сталей, источники формирования магнитного фона на различных этапах жизненного цикла трубы, а также влияние остаточной намагниченности на метрологические характеристики измерительных систем. Обоснована необходимость совместного решения задач повышения чувствительности датчиков и компенсации фонового дрейфа.

Ключевые слова: нефтегазопровод; ферромагнетизм; магнитная память металла; остаточная намагниченность; коэрцитивная сила; датчик Холла; размагничивание.

Магистральные и технологические нефтегазопроводы в основном изготавливаются из углеродистых и низколегированных сталей, магнитные свойства которых определяются ферромагнитной природой железа и его сплавов (например, стали марок 20, 17Г1С, 09Г2С, а также высокопрочные стали классов К52–К80). Их магнитные характеристики определяются химическим составом, фазовым состоянием, размером зерна, плотностью дислокаций, остаточными напряжениями и технологической историей изготовления. [1; 2]

Ферромагнетизм обусловлен существованием в материале областей спонтанной намагниченности – магнитных доменов. В пределах отдельного домена магнитные моменты атомов ориентированы преимущественно согласованно, однако в ненамагниченном состоянии направления намагниченности различных доменов распределены таким образом, что результирующий магнитный момент образца может быть близок к нулю. Между соседними доменами располагаются переходные области – доменные стенки, физически описываемые в классической модели как границы Блоха (рисунок 1) [2].

Под действием внешнего магнитного поля происходит перемещение доменных границ и вращение векторов намагниченности внутри доменов. На начальной стадии преимущественно происходит обратимое движение доменных стенок, потом, при увеличении напряженности поля, возникают необратимые процессы, которые сопровождаются ростом результирующей намагниченности материала.

Основными магнитными величинами, характеризующими состояние ферромагнетика, являются напряженность магнитного поля , магнитная индукция и намагниченность . В системе СИ между ними существует соотношение

                                                                      (1)

где – магнитная постоянная.

Рисунок 1. Схема границы в виде переходного слоя

Для линейного изотропного материала вводится абсолютная магнитная проницаемость

                                                                         (2)

а относительная магнитная проницаемость определяется как

                                                                        (3)

Для ферромагнитных сталей такая зависимость в общем случае нелинейна:

                                                                       (4)

При после предварительного намагничивания сохраняется остаточная индукция

                                                                   (5)

характеризующая способность материала сохранять магнитное состояние после удаления внешнего поля.

Для полного размагничивания необходимо приложить поле противоположного направления. Значение напряженности такого поля, при котором , называется коэрцитивной силой:

                                                                    (6)

Для неоднородно намагниченной трубы поле рассеяния формируется вследствие пространственного распределения магнитных зарядов и токов намагниченности. Поэтому [2]:

                                                                       (7)

Величина внешнего поля определяется не только , но и геометрией объекта, расстоянием от сенсора до поверхности, толщиной стенки, диаметром трубы, магнитной проницаемостью и пространственным распределением намагниченности.

Магнитное состояние нефтегазопровода следует рассматривать как пространственно-распределенную величину:

                                                                       (8)

а измеряемое поле – как функцию магнитного состояния и геометрии:

                                                           (9)

где – наружный диаметр;

– толщина стенки;

– характерный размер неоднородности;

– положение сенсора.

Магнитные свойства стали неразрывно связаны с ее механическими характеристиками. Повышение класса прочности (переход к сталям К70–К80) сопровождается изменением микроструктуры (бейнитные и квазибейнитные структуры вместо ферритно-перлитной) и химического состава. Дислокации, границы зерен и включения создают энергетические барьеры для перемещения доменных стенок, что изменяет коэрцитивную силу Hc и остаточную индукцию Br.

Немаловажно и влияние геометрии. Толщина стенки определяет путь магнитного потока, а диаметр — размагничивающий фактор.

Изменение толщины стенки приводит к изменению магнитного сопротивления:

                                                                         (10)

где – длина магнитного пути,

– площадь поперечного сечения.

Сварка также вносит свои коррективы. Сварной шов, основной металл и зона термического влияния обладают различной микроструктурой и остаточными напряжениями [3–5; 1]. Неравномерный нагрев формирует пространственный градиент магнитного поля, который при диагностике должен рассматриваться как структурная составляющая сигнала.

Механическое напряжение непосредственно влияет на магнитное состояние ферромагнетика. Это явление связано с магнитострикцией и называется магнитоупругим эффектом или эффектом Виллари [1; 2].

Исследования показывают [1], что изменение магнитных характеристик при нагружении нелинейно. Однозначная универсальная зависимость между отдельным магнитным параметром и напряженно-деформированным состоянием (НДС) отсутствует. Корректно рассматривать магнитный отклик как многопараметрическую функцию.

Остаточная намагниченность формируется на всех стадиях жизненного цикла трубы.

1. Производственная намагниченность. Формируется при выплавке, прокатке (текстура, остаточные напряжения) и сварке. Дополнительным источником является магнитопорошковая дефектоскопия без последующего размагничивания.

2 Транспортировка и монтаж. При транспортировке и складировании труб появляются новые источники магнитного воздействия. Наиболее интенсивным является применение электромагнитных грузозахватных устройств [6; 7]. СТО 38.17.003 – 2009 [6] прямо относит применение электромагнитных кранов к причинам остаточной намагниченности труб.

3. Также влияют сварочные токи и геомагнитное поле. Таким образом, к началу эксплуатации трубопровод имеет уже сформированную пространственно-неоднородную магнитную историю.

4. Эксплуатационная намагниченность. Включает воздействие токов электрохимической защиты (ЭХЗ), полей линий электропередачи (ЛЭП) и механических нагрузок от давления и подвижек грунта. Именно накопление такой магнитной истории создает физическую основу метода магнитной памяти металла.

5. Намагниченность вследствие магнитной дефектоскопии. Наиболее интенсивное изменение магнитного состояния связано с методом магнитного рассеяния потока MFL [6].

При MFL стенка трубы намагничивается до области, близкой к техническому насыщению; конкретный уровень магнитной индукции определяется свойствами материала и параметрами магнитной системы [8].

После выхода магнитной системы из участка трубы:

                                                                         (11)

но:

                                                                             (12)

Таким образом, каждый участок трубы получает новую магнитную предысторию [1; 2].

Метод магнитной памяти металла представляет собой принципиально иной подход к магнитному контролю. Если MFL формирует искусственное магнитное поле, то МПМ использует естественное магнитное состояние объекта.

При механическом нагружении в ферромагнетике изменяется магнитоупругая энергия. В зонах концентрации напряжений доменные границы испытывают более значительные перемещения, причем часть изменений может сохраняться после снятия нагрузки [2].

Размагничивание направлено на снижение и путем последовательного перемагничивания материала с уменьшающейся амплитудой магнитного воздействия [9].

К основным способам относятся переменное поле, постоянное поле, импульсное воздействие и системы постоянных магнитов.

При переменном токе:

                                                                (13)

причем:

                                                                       (14)

Материал проходит последовательность уменьшающихся гистерезисных циклов.

Недостатком высокочастотного переменного поля является поверхностный эффект:

                                                                         (15)

который ограничивает глубину проникновения поля. Для толстостенных труб это может привести к неоднородному размагничиванию по толщине.

При постоянном токе возможно формирование глубокого магнитного воздействия, где: пространственный градиент поля затухает по мере удаления от источника. Такая последовательность обеспечивает движение по уменьшающимся внутренним петлям гистерезиса.

Перспективным вариантом для внутритрубного применения является использование постоянных магнитов.

Патент RU2285254C1 предусматривает последовательное воздействие нескольких магнитных рядов с различной остаточной индукцией. Экспериментально для трубы диаметром 205 мм и толщиной стенки 6 мм было показано снижение остаточной напряженности поля с 25–30 А/см до не более 2 А/см [10].

Полезная модель RU60265U1 использует особенности геометрии магнитных полюсов для последовательного воздействия на участок трубы. Эффективность зависит от толщины стенки, диаметра и исходной остаточной намагниченности [11].

Патент RU2335819C2 рассматривает размагничивание длинномерных изделий путем последовательного магнитного воздействия при движении устройства. В документе учитывается скорость перемещения устройства, что имеет принципиальное значение для внутритрубного контроля [12].

Особенно важен патент RU2404471C1, в котором реализована активная обратная связь по датчику магнитного поля (рисунок 2). Измеренное поле используется для управления током размагничивающих катушек [13].

Рисунок 2. Блок-схема замкнутого контура автоматического регулирования системы размагничивания

При внутритрубном размагничивании дополнительно возникает ограничение скорости. Для движущегося устройства время воздействия ограничено, поэтому полностью компенсировать локальные различия магнитного состояния сложно.

Следовательно, после размагничивания следует ожидать что остаточная индукция вдоль длины трубы (x) и по ее окружности будет

Таким образом, аппаратное размагничивание является эффективным способом снижения магнитного фона, но не может рассматриваться как универсальный способ полного устранения исходной магнитной истории объекта.

Для измерительной системы это означает, что даже после предварительного размагничивания необходимо сохранять возможность регистрации и математической компенсации остаточного поля.

Заключение

Анализ теоретических положений и патентных решений показывает, что существующие способы размагничивания не устраняют фундаментальную проблему пространственной неоднородности остаточного поля. Повышение достоверности магнитометрического контроля требует решения двух взаимосвязанных задач: разработки специализированного зонда на базе высокочувствительных датчиков Холла и создания математической модели оценки и компенсации временного изменения остаточного магнитного поля.

Список литературы:

1. Myznov K.E., Vasilenko O.N., Kostin V.N. et al. Changes in magnetic characteristics of pipes during hydraulic and pneumatic tests of trunk pipelines // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2024. – Т. 60, № 7. – P. 67⁠–⁠71. – DOI: 10.31857/S0130308224070082.
2. Jiles D.C., Atherton D.L. Theory of ferromagnetic hysteresis // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 1986. – Т. 61. – P. 48⁠–⁠60. – DOI: 10.1016/0304⁠–⁠8853(86)90066-1.
3. ГОСТ Р ИСО 24497-1-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 1. Термины и определения.
4. ГОСТ Р ИСО 24497-2-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 2. Общие требования.
5. ГОСТ Р ИСО 24497-3-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 3. Контроль сварных соединений.
6. СТО 38.17.003⁠–⁠2009. Контроль качества сборки и сварки трубопроводов с учетом магнитного дутья дуги.
7. Патент РФ RU199253U1. Устройство для сварки намагниченных трубопроводов.
8. Shi Y., Zhang C., Li R., Cai M., Jia G. Theory and Application of Magnetic Flux Leakage Pipeline Detection // Sensors. – 2015. – Т. 15, № 12. – P. 31036⁠–⁠31055. – DOI: 10.3390/s151229845.
9. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1994.-18 // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 1994. – Т. 133. – P. 42⁠–⁠45.
10. Патент РФ RU2285254C1. Устройство размагничивания магистральных трубопроводов.
11. Патент РФ RU60265U1. Устройство для размагничивания трубопроводов из магнитомягких материалов.
12. Патент РФ RU2335819C2. Способ размагничивания длинномерных изделий из магнитомягких материалов и устройство для его осуществления.
13. Патент РФ RU2404471C1. Устройство локального размагничивания трубопроводов.