Publikacje naukowe

1. Wstęp

Kontrola eksploatacyjna rurociągów wykonywana jest klasycznymi technikami NDT metodą odkrywkową lub inteligentnymi tłokami przepuszczanymi wewnątrz rurociągu. W tym drugim przypadku niezbędna jest gwarancja użytkownika rurociągu, że rury wszelkich odgałęzień i króćców pomiarowych nie wystają, w niedopuszczalny sposób, do wnętrza głównej nitki rurociągu oraz że są przystosowane do bezpiecznego przejścia urządzeń pomiarowych i technologicznych (czyszczaków, rozdzielaków itp.). Wystające nadmiernie elementy mogą bowiem uszkodzić kosztowne urządzenie inspekcyjne i spowodować duże straty a nawet zakłócić dalszą eksploatację rurociągu. Niezabezpieczone duże odgałęzienia mogą spowodować rozbicie przyrządów inspekcyjnych a nawet utknięcie przepuszczanych przez rurociąg tłoków.

W referacie przedstawiono techniki badania i rezultaty kontroli wystawania króćców do wnętrza rurociągu gazowego. Wspomniano również o uprzednich doświadczeniach w zakresie sprawdzania konstrukcji i wymiarowania spawanych odgałęzień i króćców rurociągowych. Badania wykonano techniką radiografii tangensowej (po stycznej) oraz ultradźwiękowych pomiarów długości wystających elementów falami płytowymi. Badania te poprzedzone były każdorazowo kontrolą wizualną geometrii połączeń wraz z pomiarami grubościomierzem ultradźwiękowym.

Złożona geometria połączeń odgałęzień i króćców rurociągowych, spotęgowana błędami montażu sprawia, że wiarygodną ocenę można dokonać wyłącznie na podstawie wspólnej analizy wyników badań wizualnych, radiograficznych i ultradźwiękowych. Niepewność pomiaru głębokości wystawania rur odgałęzień do wnętrza głównej nitki oszacowano na 3 mm. W przypadku badania odgałęzień rur bez nakładek wzmacniających główną rurę, niepewność pomiaru byłaby kilkakrotnie niższa, czyli rozrzut pomiarów byłby dużo mniejszy.

2. Przedmiot i cel badań

Przedmiotem badania były węzły w postaci króćców i odgałęzień bocznych na czynnych gazociągach przesyłowych.

Celem badań było określenie w sposób bezinwazyjny geometrii węzłów (z wykorzystaniem technik badania radiograficznego i ultradźwiękowego) umożliwiającej ocenę wymiarów części króćca wystającej poza krawędź powierzchni wewnętrznej rury przewodowej.

3. Podstawowe zależności geometryczne

Geometria połączeń odgałęzień rur wynika z przenikania się dwu walców, z tym, że nieuniknione błędy montażowe sprawiają, że osie obu łączonych rur najczęściej się nie przecinają.

Koniec rury odgałęzienia o większej średnicy jest zwykle przycinany na promień wewnętrzny głównej nitki, gdyż w przeciwnym przypadku za bardzo wystaje do środka rury (Rys.1).

Rys. 1. Wystawanie rur odgałęzień o nieobrobionych końcówkach do środka głównej rury

Jednak nawet prawidłowo przycięte końcówki rur, w końcowej fazie montażu i pasowania bywają czasem przesunięte w głąb rurociągu, pochylone lub obrócone; odgałęzienia są czasem doginane. Jednym słowem po zaspawaniu trudno dokładnie określić kształt połączenia, a co za tym idzie położenie krawędzi króćca względem wewnętrznej powierzchni rurociągu. Kształt krawędzi przenikania robi się bardzo skomplikowany. Geometrię połączenia i badanie komplikują dodatkowo nakładki, wzmacniające otwór pod króciec w głównej rurze, o różnych średnicach i grubościach. Nakładki te często nie przylegają do rury, zdarza się, że szczelina dochodzi do kilku milimetrów. Powoduje to istnienie jak gdyby dwu oddzielnych spoin, jedna nad drugą: połączenie nakładki z króćcem a pod spodem rury z króćcem. Fenomen ten dobrze widać na załączonych ilustracjach radiogramów.

Fakt ten utrudniał badanie ultradźwiękowe falami płytowymi, z względu na powstawanie wskazań w miejscach występowania obu spoin, znajdujących się przed mierzonym czołem (końcem) ścianki króćca.

4. Badania modelowe

Ze względu na niekonwencjonalne techniki badań zarówno radiograficznych jak ultradźwiękowych, koniecznym było przeprowadzenie badań modelowych na makiecie jednego z badanych węzłów. Było to tym bardziej konieczne, że węzły te były specjalnie do badań odkopywane i chodziło o możliwie precyzyjne ustalenie nie tylko parametrów badania, ale i niezbędnego dostępu, to znaczy wielkości i głębokości odkrywek.

Badania próbne dały zachęcające wyniki, jednak zwróciły uwagę na krytyczny wpływ warunków geometrycznych badania, zarówno radiograficznych jak i ultradźwiękowych.

O żadnym przybliżonym ustawianiu źródła promieniowania i głowicy ultradźwiękowej nie mogło być mowy; zostało wykonane specjalne oprzyrządowanie zapewniające dokładną regulację odległości i kątów badania (przy radiografii 5 mm i 1-2°).

Odkrywki musiały być dość obszerne, gdyż najbardziej skomplikowane węzły musiały być prześwietlane z dwu stron, pod ściśle dobranymi kątami wiązki promieniowania i precyzyjnie ustawionej błonie.

Przed wykonaniem badań ultradźwiękowych na obiekcie, przeprowadzono specjalistyczne szkolenie operatorów wykorzystując makietę.

5. Badania w terenie

5.1. Wyposażenie do badań

Źródła promieniowania

W badaniach wykorzystane były źródła promieniowania gamma Ir 192 o wymiarach 2x3 mm w aparatach gammagraficznych typu Sentinel S660.

Błony i okładki wzmacniające

Błony radiograficzne stosowane do badań odpowiadają klasie jakości C5 wg klasyfikacji EN 584-1. Do badań zastosowano błony Agfa Structurix D7 o wymiarach 30x40 cm. Grubości ołowianych okładek wzmacniających zawierała się w granicach: okładka przednia: 0,02 - 0,2 mm, okładka tylna: 0,02 - 0,2 mm.

Defektoskopy ultradźwiękowe

Do badań zastosowano standardowe defektoskopy ultradźwiękowe spełniające wymagania normy EN 12668-1, typu Epoch III posiadające możliwość zapamiętywania wyników badania. Defektoskopy te posiadają aktualny atest wydany przez producenta.

Głowice ultradźwiękowe

Do pomiarów grubości używana była głowica normalna o częstotliwości f=10 MHz firmy Panametrics V202-RM z linią opóźniającą, którą w razie potrzeby można zdemontować.

Do pomiarów głębokości zamocowania króćców stosowane były miniaturowe głowice fal poprzecznych, odpowiednio profilowane w zależności od średnicy zewnętrznej króćca. W wyniku badań wstępnych postanowiono wybrać głowice firmy Krautkraemer MWB70-N4, o kącie załamania 70° i częstotliwości f= 4MHz. Głowice stosowane do badań powinny posiadać atest producenta potwierdzający ich parametry i wynik kontroli technicznej.

Ponadto, przed każdym badaniem, głowice podlegają kontroli bieżącej polegającej na sprawdzeniu kąta głowicy, środka głowicy, a system pomiarowy sprawdzeniu na liniowość oraz zapas wzmocnienia, zgodnie z zaleceniami normy EN 12668-3.

5.2. Wykonanie badań

Wykonanie badań króćców i odgałęzień rurociągu przesyłowego przebiegało w trzech etapach:

• badania wstępne, polegające na wykonaniu ultradźwiękowych pomiarów grubości ścianek elementów wchodzących w skład węzła,
• badania radiograficzne, polegające na prześwietleniu węzła i udokumentowaniu na błonie jego konfiguracji,
• badania ultradźwiękowe, polegające na pomiarze głębokości zamocowania króćca (odgałęzienia) w rurze przewodowej w wybranych przekrojach.

Badanie ultradźwiękowe były wykonane zgodnie z zaleceniami ogólnej normy europejskiej EN 583-1 oraz EN 583-2.

Przy wykonywaniu badań radiograficznych posłużono się ogólną normą europejską EN 444.

Zdecydowano się na kontrolę węzła dwoma, niezależnymi od siebie metodami, z powodu wagi problemu technicznego, który ma zostać rozwiązany. Końcowym, interesującym Zleceniodawcę wynikiem, było określenie maksymalnego wymiaru wystawania króćca ponad wewnętrzną średnicę rury przewodowej (wymiar X - por. rys.1 i 4). Potwierdzenie tego wyniku dwiema metodami: radiograficzną i ultradźwiękową, podwyższa wiarygodność badań i zmniejsza prawdopodobieństwo błędnych ocen wymiaru X.

Rys. 2. Przekrój i widok z góry węzła na rurociągu (z nakładką)

5.2.1. Badania wstępne

Badania te polegały na określeniu grubości ścianek elementów wchodzących w skład węzła w 8 przekrojach pokazanych na rys. 2. Pomiar grubości został wykonany przy wykorzystaniu cyfrowego aparatu ultradźwiękowego Epoch III i głowicy normalnej V202 z linią opóźniającą. Wynik pomiaru, dla każdego z elementów węzła, podany został jako wartość uśredniona z kilku pomiarów wykonanych w danym przekroju.

Wyniki pomiarów grubości króćca g_k, rury przewodowej g₁ i nakładki g₂ dla wszystkich 8 przekrojów węzła są zapamiętane w pamięci aparatu Epoch III i zamieszczone zostały w protokole badań. Dla ilustracji przebiegu tych pomiarów dołączone zostały przykładowe kopie "zamrożonych" i zapamiętanych obrazów cyfrowych ekranu defektoskopu przedstawiających pomiary grubości omawianych elementów dla jednego z przekrojów.

Wyniki badań wstępnych niezbędne są do przeprowadzenia kolejnych etapów badania węzła.

5.2.2. Badania radiograficzne

Wykorzystując pomierzone grubości elementów węzła dobierano parametry ekspozycji radiograficznej węzła, schemat ideowy której pokazano na rys. 3.

Rys. 3a. Prześwietlenie z osią wiązki prostopadłą do osi króćca

Rys. 3b. Prześwietlenie z osią wiązki styczną w punkcie przecięcia osi króćca z zarysem średnicy wewnętrznej rury

Do udokumentowania geometrii węzła zastosowano niezbyt rozpowszechnioną w Polsce, lecz dobrze znaną i stosowaną w świecie (np. przy badaniach korozji pod izolacją) metodą radiografii tangensowej. Dobór parametrów ekspozycji polega na optymalnym dobraniu geometrii układu film – obiekt badany – źródło promieniowania tak aby zminimalizować nieostrość geometryczną na filmie i czas ekspozycji oraz uzyskać pożądaną rozróżnialność elementów węzła. Ze względu na dosyć złożoną geometrię badanego obiektu parametry i czas ekspozycji dobiera się doświadczalnie przez wykonanie próbnych prześwietleń.

Obróbka fotochemiczna naświetlonych błon wykonywana będzie bezpośrednio na miejscu w ruchomym Laboratorium firmy NDTEST, przy użyciu automatycznej wywoływarki typu Agfa Structurix NDT-M.

Badania każdego węzła zostało udokumentowane radiogramami wykonanymi z dwóch ekspozycji: pierwszej - gdzie oś symetrii wiązki jest prostopadła do osi króćca i filmu (por. rys.3a) oraz drugiej - gdzie oś wiązki jest nachylona pod pewnym kątem do osi króćca wchodzącego skośnie do gazociągu i jest jednocześnie styczna do rury przewodowej w punkcie przecięcia osi króćca z zarysem średnicy wewnętrznej gazociągu (por. rys. 3b). W niektórych przypadkach drugi radiogram może dotyczyć tej samej pozycji lecz przy dłuższym czasie naświetlania, co ma na celu wyeksponowanie określonych fragmentów węzła (np. zarysu ścianki wewnętrznej rury). Obydwa filmy służą od oceny geometrii węzła, obliczenia interesującego Zleceniodawcę maksymalnego wymiaru X – wystawania króćca ponad wewnętrzną średnicę rury oraz wytypowania przekrojów węzła do pomiarów głębokości króćca przewidzianych w trzecim etapie.

Radiogramy posłużyły również do oceny niedopasowania pomiędzy rurą przewodową i nakładką i pozwolą ocenić wymiar – D_g, który należy uwzględnić przy pomiarach ultradźwiękowych wykonywanych w trzecim etapie.

5.2.3. Badania ultradźwiękowe głębokości króćca

Po przeanalizowaniu geometrii węzła na radiogramach i dysponując wynikami wstępnych badań ultradźwiękowych można przystąpić do trzeciego etapu badania – ultradźwiękowych pomiarów głębokości króćca przy pomocy fal poprzecznych wprowadzanych pod kątem do rury króćca. Schemat ilustrujący sposób wykonania pomiaru pokazano na rys. 4.

Do wykonania badań zastosowano aparat ultradźwiękowy Epoch III z głowicą fal poprzecznych MWB70-N4, o kącie załamania 70° i częstotliwości f=4MHz. Układ ten powinien zostać wyskalowany w rzucie poziomym drogi fali ultradźwiękowej. Umożliwia to odczytanie położenia echa od końca króćca przy właściwym zlokalizowaniu go na ekranie defektoskopu. Z monitora aparatu odczytywany jest wymiar a, który wyświetlany jest również w postaci cyfrowej na monitorze defektoskopu przy odpowiednim ustawieniu bramki. "Obraz" tego pomiaru zostaje zapamiętany w pamięci aparatu i dołączony jako dokumentacja do protokołu badań. Jednocześnie operator odczytuje pomierzoną w sposób mechaniczny odległość b. Dysponując pomierzonymi wcześniej grubościami rury g₁ i nakładki g₂ oraz wyznaczoną z radiogramu przerwą między nakładką i rurą przewodową (wynikającą z niedopasowania krzywizny nakładki do rury przewodowej) – D_g można obliczyć interesująca wielkość x w każdym wybranym przekroju króćca:

Rys. 4. Schemat ultradźwiękowego pomiaru głębokości króćca przy pomocy głowicy fal poprzecznych

Badania głębokości króćca były wykonane w przekrojach 1, 2, 3, 4 pokazanych na rys. 2. Pozostałe przekroje pomiarowe 5 – 8 zostały wybrane po przeanalizowaniu radiogramów w miejscach, które oceniono jako najbardziej "wystające" ponad zarys średnicy wewnętrznej rury. Wszystkie wyniki pomiarów zostały przedstawione w protokole badania. Dodatkowo każdy pomiar w przekrojach 1 – 4 badanego węzła został udokumentowany wskazaniami z ekranu defektoskopu ultradźwiękowego zapamiętanymi w czasie pomiaru (ograniczenie to wynika z możliwości zapamiętywania obrazów ekranu w pamięci defektoskopu).

5.3. Zapisy i dokumentowanie wyników badań

Wyniki badania, dla każdego węzła oddzielnie, zostały przedstawione w postaci protokołów, oddzielnych dla badania ultradźwiękowego i radiograficznego oraz udokumentowane w postaci radiogramów i zapisów z ekranu defektoskopu ultradźwiękowego zapamiętanych w czasie pomiaru w wybranych przekrojach węzła (Rys. 7).

Na rys. 5 podano przykład radiogramu odgałęzienia z nakładką na którym widać, że króciec wystaje w znaczący sposób do środka rury. Na radiogramach przedstawionych na rys. 6 można zmierzyć wielkość szczeliny między nakładką i rurą oraz grubość nakładki i ścianki rury.

6. Wnioski

Zastosowanie, w sposób komplementarny, specjalnych technik radiografii i ultradźwiękowych pozwoliło w sposób wystarczająco szczegółowy i wiarygodny dokonać oceny kształtu i zwymiarować połączenia króćców i odgałęzień rur z głównym rurociągiem gazowym. Ma to kapitalne znaczenie dla dobrego przygotowania rurociągu do badań eksploatacyjnych tłokami inteligentnymi. Nadmierne wystawanie króćców i odgałęzień do środka rury uniemożliwia bowiem przepuszczanie tłoków, ze względu na niedopuszczalne ryzyko ich uszkodzenia, a nawet uszkodzenia samego rurociągu.

Badania takie są również przydatne przy normalnej eksploatacji rurociągów, gdyż tłoki czyszczące rurociąg od wewnątrz lub rozdzielające, w przypadku naftociągów, różne rodzaje produktu, mogą zostać zniszczone lub utknąć na wystających przeszkodach lub w niezabezpieczonych dużych odgałęzieniach. Przypadki takie wielokrotnie miały miejsce i pomoc badań nieniszczących w rozwiązywaniu tych problemów eksploatacyjnych jest niezbędna.

Nasuwa się również przypuszczenie, że podobne do opisanych operacje kontrolne przeprowadzane w czasie montażu rurociągów pozwoliły by uniknąć wielu problemów w czasie ich eksploatacji, gdy wszelkie poprawki są kosztowne, ryzykowne i zakłócają pracę odbiorców medium.

Rys. 5. Obraz radiograficzny odgałęzienia z nakładką wystającego do środka rury; typowy radiogram (po lewej), obraz po obróbce cyfrowej (po prawej)

Rys. 6. Radiogramy wykonane w układach: pozwalających zmierzyć grubość nakładki i rury oraz szerokość szczeliny między nimi (po lewej), umożliwiających przybliżoną ocenę stanu spoiny odgałęzienia z rurociągiem, widocznej w kształcie zbliżonym do elipsy (po prawej)

Rys. 7. Obrazy ekranu aparatu ultradźwiękowego przy pomiarze wielkości X w dwóch przekrojach