УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ СНАРЯД-ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 1998 года по МПК G01B17/00 F17D5/00 F16L57/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для контроля состояния трубопровода.

Известны устройства для контроля за состоянием внутренней поверхности трубопровода, движущиеся потоком транспортируемого продукта, дефектоскопы - ультразвуковые, акустические, магнитные, тензочувствительные, магнитотелевизионные и другие.

В 1986 году ВНПО "Союзгазавтоматика" разработала комплекс по проверке состояния трубопровода "Код-2" с двумя секциями и с использованием микропроцессорной техники. В 1987 году американской фирмой "Тьюбоскоп" был разработан трехсекционный снаряд-дефектоскоп, выявляющий дефекты: коррозионные повреждения, эрозионный износ, поперечные трещины, механические повреждения. (Техническое описание профильной системы 1420 "Лайоналог" Jnc P.O. ВСХ 808, Houston, Texas, 77001, USA).

В изобретении (авт. св. N 1629683, 1991) "Устройство для контроля и регистрации нарушений гладкости внутренней поверхности труб и пространственно-геометрических параметров трубопроводов" использован бесконтактный метод измерения внутренних размеров трубопровода. Он позволяет оценить радиус продольного изгиба и профиля поперечного сечения магистральных трубопроводов.

В ФРГ разработан снаряд-дефектоскоп (патент ФРГ N 3626646, кл. F 17 D 5/00 и G 01 M 3/00, 1988), принятый за прототип, состоящий из трех секций. Головной секцией в нем является энергетическая, несущая аккумуляторную батарею для электрического питания всех устройств. Энергетическая секция соединена с магнитной секцией. Магнитная секция содержит ЭВМ для обработки и хранения данных измерения. Магнитная секция соединена с ультразвуковой секцией, которая содержит ультразвуковые генераторы и приемники.

Известные дефектоскопы основаны на магнитном и ультразвуковом методе с различным количеством датчиков в зависимости от контролируемого диаметра трубопровода. Они не позволяют выявлять напряжения и деформации от внешних и внутренних воздействий на трубопровод и определить суммарное напряженное состояние в любом сечении по всей длине обследуемого трубопровода, а также его положение в пространстве. Имеют небольшую точность определения дефекта по длине трубопровода.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и определение ресурса надежности трубопровода в целом.

Это достигается тем, что для контроля за состоянием трубопровода в снаряде-дефектоскопе, содержащем размещенные в отдельных корпусах, соединенных между собой карданами и гермокабелями и снабженных манжетами и каретками секции магнитной, ультразвуковой и энергетической с генераторной установкой, введена секция навигационных и высотно-плановых отметок. Секция представляет собой герметичный корпус, внутри которого размещен навигационный модуль, включающий командный прибор с трехосным гиростабилизатором, цифровой вычислительный комплекс и блок регистрирующей аппаратуры. А энергетическая секция дополнительно снабжена буферной подзаряжаемой аккумуляторной батареей, функциональным датчиком давления и блоком автоматики, включающим релейные группы, логические и защитные устройства, обеспечивающими подачу питания на секции снаряда-дефектоскопа в штатном режиме работы или только на секцию навигационных и высотно-плановых отметок при нештатных ситуациях.

На фиг. 1 изображен общий вид универсального диагностического снаряда-дефектоскопа;
фиг. 2 - секция навигационных и высотно-плановых отметок;
фиг. 3 - энергетическая секция;
фиг. 4 - структурная схема секции навигационных и высотно-плановых отметок;
фиг. 5 - схема блока автоматики.

В носовой части снаряда-дефектоскопа (фиг. 1) расположено гидравлическое демпферное устройство 1, обеспечивающее снижение силы удара снаряда о возможное препятствие. Демпферное устройство 1 закреплено на переднем торце корпуса магнитной секции 2. Магнитная секция предназначена для выявления коррозионных повреждений и эрозионного износа в виде отдельных каверн, сквозных отверстий, участков коррозии с внешней и внутренней поверхности трубы, поперечных трещин. Она содержит систему для намагничивания металла стенки трубопровода с датчиками, аппаратуру предварительной обработки информации и блок регистрирующей аппаратуры для записи информации о выявленных дефектах (поперечных трещинах, коррозионных и сквозных дефектах в трубопроводе).

Магнитная секция 2 соединена с ультразвуковой секцией 3, которая обеспечивает обнаружение трещин различной ориентации, пор и других внутренних дефектов, а также измерения толщины стенки трубопровода. В корпусе ультразвуковой секции 3 расположены пьезопреобразователи, аппаратура предварительной обработки информации и блок регистрирующей аппаратуры.

Ультразвуковая секция 3 соединена с секцией навигационных и высотно-плановых отметок 4, которая представляет собой герметичный корпус (фиг. 2), закрытый с торцов крышками, внутри которого размещены (фиг. 4): навигационный модуль 5, который включает командный прибор 6 с трехосным гиростабилизатором, и вычислительный комплекс 7, к которому присоединены блок регистрации 8, датчики температуры 9, давления 10, корреляционной скорости 11, одометрический 12.

Секция навигационных и высотно-плановых отметок 4 соединена с энергетической секцией 13. Энергетическая секция 13 (фиг. 3) служит для обеспечения энергопитанием бортовой аппаратуры снаряда. В ней размещаются буферная аккумуляторная батарея 14, датчик давления 15, блок автоматики 16, генераторная установка 17 и автономное сигнально-маркерное устройство 18. Блок автоматики 16 (фиг. 5) включает релейные группы, логические и защитные устройства.

Все секции снаряда-дефектоскопа соединены между собой карданами 19 и снабжены манжетами 20 и каретками 21, состоящими из пружинного блока и колес, для движения снаряда в трубопроводе.

Расстояние между манжетами и каретками установлено таким образом, чтобы исключить провалы корпуса при прохождении врезок, отводов, задвижек. На корпусах секций имеются горловины для установки функциональных приборов и гермовводов.

Снаряд-дефектоскоп работает следующим образом.

После запасовки снаряда-дефектоскопа в камеру запуска и по достижении в ней заранее заданного давления (срабатывает датчик давления 15 энергетической секции 13 (фиг. 3) подается питание на блок автоматики 16, который подключает буферную аккумуляторную батарею 14 на разогрев и запуск командного прибора 6 с трехосным гидростабилизатором секции навигационных и высотно-плановых отметок 4 (фиг. 4). При дальнейшем повышении давления и открытии задвижки снаряд начинает движение в трубопроводе. Перекачиваемый по трубопроводу продукт оказывает давление на снаряд с манжетами и приводит его в движение, т.е. используется свойство "поршня", снаряд плывет в трубе вместе с перекачиваемым продуктом. По команде приемопередатчика маркерного устройства 18, получившего сигнал от наземного источника, подается питание на все секции. Маркерная антенна установлена в стакане, который закреплен на корпусе. В процессе движения снаряда магнитная 2 и ультразвуковая секции 3 регистрируют дефекты трубопровода, в частности толщины его стенок, коррозионные язвы, разноориентированные трещины. Информация об этом поступает в блок регистрации соответствующих секций. Секция навигационных и высотно-плановых отметок 4 по мере прохождения снаряда-дефектоскопа по сигналам командного прибора 6 (фиг. 4) производит циклический опрос и получает информацию, поступающую с датчиков температуры 9 и давления 10, корреляционного 11 и одометрического 12 в вычислитель 7, где обеспечивается взаимодействие всех приборов в соответствии с алгоритмами их работы, уплотнение и передача данных в запоминающее устройство - блок регистрации 8. В процессе вторичной обработки информации решаются следующие основные задачи:
- вычисляется положение оси трубопровода с заданной точностью;
- осуществляется привязка к координатам оси трубопровода значений температуры и давления перекачиваемого продукта;
- производится привязка к координатам оси трубопровода единой тактовой сетки с целью последующей точной привязки дефектов к оси трубопровода средствами вторичной обработки. Вторичная обработка информации производится в наземном вычислительном комплексе, созданном на базе персонального компьютера.

Энергетическая секция 13 (фиг. 3) обеспечивает необходимые режимы энергоснабжения снаряда-дефектоскопа при различных ситуациях в процессе дефектоскопии, осуществляя задачу питания на все секции в штатном режиме работы или только на навигационную секцию при нештатных ситуациях. Основным источником питания является генераторная установка с механическим приводом 17. Буферная аккумуляторная батарея 14 обеспечивает аварийное питание при остановке снаряда в трубопроводе, в этом случае питание подается только в навигационную секцию 4.

Блок автоматики 16 энергетической секции 13 (фиг. 5) включает релейные группы, логические и защитные устройства и через соответствующие разъемы ХТ1 - ХТ3 обеспечивает бесперебойную подачу питания на секции снаряда в штатном режиме работы и подачу питания на секцию навигационных и высотно-плановых отметок при отключении снаряда от штатного режима. Разъемы используются:
ХТ1, ХТ2, ХТ6 - для подготовки снаряда к работе;
ХТ3 - для связи с секцией навигационных и высотно-плановых отметок 4;
ХТ4 - для подключения маркерного устройства 18;
ХТ5 - для подключения датчика давления 15;
ХТ7, ХТ8 - для силового питания всех секций.

После прихода снаряда-дефектоскопа в приемную камеру снимается давление в ней, отключается питание во всех секциях.

Производится выемка дефектоскопа из приемной камеры и осуществляется обработка полученной информации наружным комплексом ЭВМ.

В предлагаемом изобретении впервые в отечественной и зарубежной практике использован метод определения эквивалентного напряженного состояния, базирующийся на энергетической теории прочности и предельном состоянии нефтепровода.

Эквивалентное напряженное состояние определяется по формуле

где
σ_к - суммарное кольцевое напряжение, в том числе от действия внутреннего давления
,
где
Σσ_п - суммарные продольные напряжения, в том числе продольные напряжения от действия внутреннего давления
,
от температурного перепада
σтп

= -EαΔT ,
от изгибных напряжений
,
P - рабочее давление перекачиваемого продукта, измеряется датчиком давления 10;
D - диаметр нефтепровода внутренний;
δ - толщина стенки труб;
μ - коэффициент Пуассона;
E - модуль упругости;
α - коэффициент линейного расширения;
Δt - температурный перепад;
D_н - диаметр нефтепровода наружный;
R - радиус изгиба нефтепровода в процессе прохождения снарядом-дефектоскопом.

По измеряемым геометрическим параметрам трубопровода (R, D_н, δ, D) и технологическим параметрам транспортируемого продукта. (P, t) с учетом механических свойств стали трубы определяются фактические напряжения в каждом измеряемом сечении обследуемого трубопровода и их соответствия предельных допустимым значениям. Выходная информация представляется в виде таблиц, где контролируемые параметры представлены с привязкой по длине трубопровода в плане и в профиле.

В текстовой форме выходной информации описывается характер выявленных аномалий, состояние обследуемого участка нефтепровода и рекомендации по повышению надежности эксплуатации и проведению ремонтно-восстановительных работ. Анализ дефектов в стенке труб типа трещин, непроваров, задиров, коррозионных повреждений и фактических напряжений, действующих в зоне дефекта, позволяет определить их ресурсопригодность в очередность проведения ремонтных работ.

Предлагаемое решение выгодно отличается от известных. В настоящее время изготовлена материальная часть снаряда-дефектоскопа для проведения опытных работ. Использование заявленного устройства предполагается в 1999 г.

Изобретение может быть использовано для контроля состояния трубопровода. Снаряд-дефектоскоп позволяет расширить диагностические возможности при контроля. Он позволяет определить положение трубопровода в пространстве и его изменения по сравнению с предыдущими замерами, потенциально опасные дефекты стенки трубопровода, выявить участки опасного напряжения и деформации от внешних и внутренних воздействий на трубопровод и определить суммарное напряженное состояние в любом сечении по всей длине обследуемого трубопровода, а также оценить ресурс надежности трубопровода в целом. Снаряд-дефектоскоп выполнен в виде четырех отдельных секций - магнитной 2, ультразвуковой 3, навигационных и высотно-плановых отметок 4, энергетической 13, соединенных между собой карданами 19, обеспечивающими прохождение снаряда по изгибам трубопровода. Секции снабжены манжетами 20 и каретками 21 с пружинными блоками и колесами. Снаряд движется в трубопроводе под действием перекачиваемого продукта, воздействующего на манжеты 20. В процессе движения снаряда секции определяют и регистрируют соответствующую для каждой из них информацию, а энергетическая секция 13 осуществляет и регулирует подачу питания в каждую секцию в штатном и нештатном режимах движения. 5 ил.

Универсальный диагностический снаряд-дефектоскоп для контроля за состоянием трубопровода, состоящий из размещенных в отдельных корпусах, соединенных между собой карданами и гермокабелями и снабженных манжетами и каретками секций магнитной, ультразвуковой и энергетической с генераторной установкой, отличающийся тем, что в него введена соединенная с энергетической и ультразвуковой секциями секция навигационных и высотно-плановых отметок, представляющая собой герметичный корпус, внутри которого размещен навигационный модуль, включающий командный прибор с трехосным гиростабилизатором, цифровой вычислительный комплекс и блок регистрирующей аппаратуры, а энергетическая секция дополнительно снабжена буферной подзаряжаемой аккумуляторной батареей, функциональным датчиком давления и блоком автоматики, включающим релейные группы, логические и защитные устройства, обеспечивающими подачу питания на секции снаряда-дефектоскопа в штатном режиме работы или только на секцию навигационных и высотно-плановых отметок при нештатных ситуациях.