СПОСОБ ОЦЕНКИ ТОЛЩИНЫ КОЛОННЫ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ МЕТОДЕ КОНТРОЛЯ Российский патент 1999 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий и может быть использовано при толщинометрии труб нефтегазовых скважин и трубопроводов.

Известен способ оценки толщины изделий (Каганов В.К. и др. "Применение спектральной обработки частотно-модулированных сигналов в ультразвуковом контроле" Дефектоскопия, N 8 , 1993, с 33-38), заключающийся в зондировании контролируемого участка ультразвуковым линейно-частотно-смодулированным импульсом большой длительности, определении спектра и частоты биения отраженного и зондирующего импульсов, оценке на ее основе толщины изделия, пропорциональной частоте биения.

Недостатком этого способа является существенная зависимость формы отраженной волны от неравномерности частотных характеристик среды и преобразователя, что приводит к появлению дополнительной амплитудной модуляции гармоник в спектре биений, и к снижению точности измерения толщины изделия.

Известен также способ, принятый за прототип ("Способ и устройство для акустического исследования обсадной колонны в скважине", заявка Великобритании N 2.059.064 G 01 V 1/40, опуб. 15.04.84, приоритет США от 11.07.77), заключающийся в зондировании контролируемого участка, заполненного жидкостью колонны акустическим импульсом в радиальном направлении, определении спектра отраженной волны и определении в ней амплитудных значений, соответствующих частоте реверберационных колебаний в колонне, которые несут информацию о толщине колонны в месте зондирования.

Жидкость, заполняющая внутреннюю область колонны (обычно техническая вода), обеспечивает распространение ультразвуковых волн с наименьшим затуханием амплитуды.

Сущность способа заключается в том, что в отраженной ультразвуковой волне присутствуют реверберационные колебания колонны с частотами, равными:
f_n=NC/2d,
где C - скорость продольной волны в колонне,
d - толщина колонны,
N - целое число.

Процесс отражения ультразвуковой волны от колонны можно описать следующим образом: на стенку колонны падает излучаемая акустическим преобразователем волна, часть этой волны отражается от внутренней стенки колонны, а вторая часть проходит в колонну, возбуждая в ней колебания на собственной частоте колонны, что есть реверберационные колебания колонны, эти колебания возбуждают в заполняющей среде ультразвуковые волны с частотой реверберационных колебаний колонны.

Выделяя в спектре отраженной волны гармоники с частотами f_n на основе формулы (1) оценивается толщина колонны.

Однако данный способ имеет существенные недостатки. Способ требует предварительного задания размера колонны, для определения номера гармоники, соответствующего реверберационным колебаниям колонны. На практике же колонна может состоять из труб разных диаметров. На точность способа существенно влияет расцентровка прибора, которая приводит к изменению амплитуд в спектре отраженной волны. Аналогичное влияние оказывает степень сцепления колонны с цементом. По приводимым в способе оценкам погрешность толщины составляет не менее 14%.

Задачей изобретения является повышение точности и надежности оценки толщины колонны путем определения удельной интенсивности отраженной волны, которая не зависит от расцентровки прибора и пропорциональна толщине колонны в месте зондирования.

Поставленная задача достигается тем, что в способе, включающем зондирование ультразвуковым импульсом стенки заполненной жидкостью колонны и определении спектра отраженной волны, вычисляют интенсивность и удельную интенсивность отраженной волны и определяют толщину колонны в месте зондирования.

Сравнение заявляемого способа с известным способом-прототипом показывает, что основное отличие от прототипа заключается в определении интенсивности и удельной интенсивности отраженной волны, которые используются для определения толщины колонны. Так как удельная интенсивность не зависит от угла падения волны на поверхность, то результаты оценки толщины колонны не зависят от расцентровки прибора, что позволяет повысить точность измерений.

Анализ научно-технической и патентной информации, относящейся к данной области техники, не выявил сведений об использовании удельной интенсивности отраженной волны в качестве параметра, связанного с толщиной колонны, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "Новизна" и "Изобретательский уровень".

Сущность предлагаемого способа оценки толщины колонны при ультразвуковом методе контроля заключается в следующем. Интенсивность отраженной волны J пропорциональна толщине колонны [смотри формулу (1)]:
J = 0,5ρcf²A², (2)
где ρ - плотность среды,
с - скорость ультразвука в среде,
A - амплитуда колебаний.

Определим удельную интенсивность как:
J/A²= 0,5ρcf²= k₁/d², (3)
где k₁= ρc³/8 некоторая постоянная величина.

С другой стороны интенсивность отраженной волны связана с функцией спектральной плотности M(f):

Подставив формулу (4) в формулу (3), имеем выражение, которое связывает толщину колонны d со спектром отраженной волны:

где k₂= ρc³/16 - постоянная величина для среды распространения ультразвуковой волны.

Для численных расчетов выражение (5) представляется в виде:

где Δf_i= f_i+1-f_i, i=0...N,
i - номер гармоники в спектре отраженной ультразвуковой волны,
M(f_i) - амплитуда гармоники.

М(f_i) вычисляются стандартным способом - быстрым преобразованием Фурье (БПФ), который описан в любой математической литературе (например, Бахвалов Н. С. Численные методы. М. Наука, 1973, 631 с.). Подставляя вычисленные значения амплитуд гармоник и амплитуды отраженной волны в формулу (6), получаем оценку толщины колонны.

При этом использование отношения J/A² позволяет исключить расцентровку прибора на точность определения толщины колонны. Вычисление интенсивности отраженной волны через спектральную функцию позволяет свести к минимуму влияние случайных погрешностей на точность измерений.

Пример конкретного выполнения.

Способ оценки толщины колонны при ультразвуковом методе контроля был опробирован на макете колонны кругового сечения, толщина стенки которой менялась от 7 до 12 мм. Частота зондирующих импульсов была равна 500 кГц. Рассматривались свободная и полностью зацементированная колонны.

На основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) определялись амплитуды гармоник спектра отраженной ультразвуковой волны M(f), на основе чего по формулам (4) - (5) вычислялись интенсивность и удельная интенсивность отраженной волны. На основе J и J/A₂ предварительно определялось качество сцепления колонны с цементом. Предварительные стендовые испытания показали, что для свободной колонны 210.6 < J < 534.1 ед., 6.93 < J/A² < 8.61 ед.; для цементированной колонны 49.6 < J <227.5 ед., 5.6 < J/A² < 9.6 ед.

После этого по формуле (6) определялась толщина колонны d:

т. е. толщина колонны обратно пропорциональна удельной интенсивности отраженной волны.

В таблице 1 приведены значения удельной интенсивности отраженной волны с изменением толщины колонны.

Приведенные исследования показали, что максимальная погрешность оценки толщины колонны описанным способом не превышает 7-8%.

Изобретение может быть использовано при толщинометрии труб нефтегазовых скважин и трубопроводов. Повышение точности и надежности оценки толщины колонны достигается тем, что в способе, включающем зондирование ультразвуковым импульсом стенки заполненной жидкостью колонны и определение спектра отраженной волны, вычисляют интенсивность и удельную интенсивность отраженной волны и определяют толщину колонны в месте зондирования. 1 табл.

Способ оценки толщины колонны при ультразвуковом методе контроля, включающий зондирование ультразвуковым импульсом стенки заполненной жидкостью колонны, определение спектра отраженного сигнала, отличающийся тем, что вычисляют интенсивность и удельную интенсивность отраженной волны и определяют толщину колонны в месте зондирования.