МАГНИТНЫЙ ПРОХОДНОЙ ДЕФЕКТОСКОП Российский патент 2000 года по МПК G01N27/87 G01N27/83 

1. Область техники
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике для технической диагностики трубопроводов по обнаружению дефектов на их внутренней поверхности, особенно для выявления продольных трещин на заглубленных магистральных газопроводах.

2. Уровень техники
Известны дефектоскопы для контроля трубопроводов с использованием устройств продольного способа намагничивания контролируемого объекта цилиндрической системой и элементов считывания полей рассеяния дефектов магнитоиндукционными преобразователями, расположенными по периметру магнитопровода в нейтральной плоскости между полюсами. [Халалиев П.А., Григорьев П.А. Методы контроля состояния труб подземных магистральных трубопроводов. Дефектоскопия, N 4, 1974, с. 88].

Указанные дефектоскопы обеспечивают выявление коррозионных повреждений, но не позволяют выявлять стресс-коррозию и продольные трещины. Кроме того, они не могут проходить сужения и изгибы радиусом до 2D (где D - наружный диаметр трубы).

Известны дефектоскопы, построенные с использованием поперечного способа намагничивания, где имеется двухполюсная система намагничивания и вращающиеся преобразователи вокруг движущейся. [Дефектоскопия, N 6, 1977, с. 25-35] .

Такое техническое решение не обеспечивает выявление продольных трещин на заглубленных в земле трубопроводах.

Известны устройства с применением магнитного метода для выявления продольных трещин с использованием способа циркулярного намагничивания. [Патент США N 3539915, 15.11.1970 г.].

Недостатком такого устройства является невозможность адаптации к изменениям внутренней полости трубопроводов.

Известно также устройство, принятое заявителем за прототип, - дефектоскоп для внутритрубных обследований. [Пат. Р. Ф. N 2102738 G 01 N 27/87, 27/82, 20.01.98, Бюл. N 2], включающий цилиндрическое основание с опорными узлами, блок энергоснабжения, блок регистрации информации, блок скорости перемещения и источник магнитного поля, блок фиксации магнитных потоков рассеяния от дефектов в стенках трубопроводов.

Известные технические решения не обеспечивают необходимой надежности при работе в трубопроводе из-за наличия вращающихся узлов, особенно в полости негладких поверхностей трубопроводов (наличия решеток в отводах, возможное недооткрытие шаровых кранов, имеющих место малых радиусов изгибов и т.п.).

3. Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 представлен блоки поперечного намагничивания и съема информации системы опроса; на фиг. 2 - дефектоскоп-снаряд; на фиг. 3 - сечение кольца устройств намагничивания; на фиг. 4 - структурная схема аппаратуры управления и обработки информации, где
1 - преобразователи; 2 - эластичные элементы (ласты); 3 - блоки поперечного намагничивания; 4 - источник магнитного поля (электрообмотки); 5-9 - блок энергоснабжения, включающий: 5, 6 - турбогенераторы, 7 - выпрямитель, 8 - блок аккумуляторов, 9 - блок управления питанием; 10 - преобразователь, измеряющий толщину стенки и магнитные свойства трубы; 11 - кнопка пуска по давлению; 12-13 - датчики ДГА (газоанализаторы); 14 - кольцо преобразователей, работающих на остаточной намагниченности; 15 - модули коммутации и усиления сигналов; 16, 17 - блок скорости перемещения (одометрические датчики); 18 - модуль селекции сигналов; 19 - датчик угловой координаты; 20 - блок СВЧ преобразователей; 21 - блок регистрации информации (БОНИ), включающий модуль предварительной обработки и модуль накопления информации; 22 - преобразователи полей дефектов, работающие на остаточной намагниченности; 23 - модули коммутации и усиления сигналов от преобразователей 22; 24 - цилиндрическое основание; 25, 26 - опорные узлы, включающие 25 - манжеты, 26 - опорные ролики; 27 - дистанцирующие узлы; 28 - объект контроля.

4. Сущность изобретения
4.1. Задача
Техническая задача состоит в устранении указанных недостатков, а именно обеспечении надежности работы дефектоскопа и достоверности контроля при выявлении продольных трещин на заглубленных в земле трубопроводах, выявлении стресс-коррозии на ранней стадии развития, а также дефектов металлургического производства и коррозионного повреждения.

4.2. Отличительные признаки.

В отличие от известного устройства, включающего цилиндрическое основание 24 с опорными узлами 25, 26, блок энергоснабжения 5-9, блок регистрации информации 21, блок скорости перемещения 16, 17 и источник магнитного поля 4, блок фиксации магнитных потоков рассеяния от дефектов в стенках трубопроводов 2; в магнитном проходном дефектоскопе, на цилиндрическом основании размещены блоки (1, 2, 3, 27) поперечного намагничивания 3 и съема информации системы опроса с возможностью намагничивания (трубы) в двух кольцевых сечениях со смещением πd/2n (одного кольца относительно другого) участками с попарно встречными направлениями магнитного поля в каждом сечении, где n - число пар полюсов, устройство снабжено дистанцирующими узлами (27) (предназначенными для фиксирования расстояния между источником магнитного поля (N, S) и объектом контроля (28) для минимизации магнитного сопротивления цепи намагничивания), выполненными из материала с низким коэффициентом истирания и армированными стержнями из магнитомягкого материала с остаточной индукцией, равной остаточной индукции источника магнитного поля, блок энергоснабжения включает турбогенераторы, при этом чаще всего блок поперечного намагничивания 3 и съема информации (1, 2, 3, 27) системы опроса размещается в межполюсном пространстве с шагом не более 4 мм (для получения необходимого и достаточного количества точек измерения для восстановления магнитного рельефа над поверхностью изделия - получения сглаженной характеристики), опорные узлы могут быть выполнены в виде манжет (25) и опорных роликов (26) и установлены под углом не более 30^o к оси трубы, при этом блок регистрации информации 21 включает модуль предварительной обработки и модуль накопления, снабжен часовым механизмом с кварцевым генератором и системой опроса 15, 23 измерительных каналов с фиксированной частотой (что обеспечивает определение мгновенной скорости на любых кольцевых неоднородностях трубопровода и координаты аномалий), а дистанцирующие узлы могут быть выполнены из полиуретана, блок скорости перемещения выполнен на одометрических датчиках, а блок энергоснабжения включает турбогенераторы, выпрямитель, блок аккумуляторов, блок управления питанием.

Сущность способа.

Повышение надежности работы дефектоскопа обеспечивается за счет решений, исключающих вращающиеся узлы и обеспечивающих полную адаптацию к внутренней поверхности трубопроводов, что позволяет уверенно выявлять дефекты, в том числе продольные трещины на заглубленных в земле трубопроводах.

Техническая задача решается за счет поперечного секторного намагничивания контролируемых участков трубы электромагнитами, питаемыми от бортовых турбогенераторов, выбора оптимального количества преобразователей, отстройки от полей рассеяния полюсов электромагнитов, бесконтактного измерения мгновенной скорости дефектоскопа, позволяющей регулировать частоту съема информации с преобразователей, обеспечивать ее точную привязку к дефектоскопируемому участку трубы.

Выявление стресс-коррозии и продольных трещин осуществляется с неподвижно закрепленными преобразователями в междуполюсном пространстве блоков намагничивания путем считывания магнитных полей рассеяния от трещин при максимально возможной отстройке от полей рассеяния полюсов блоков намагничивания.

Регистрация магнитных полей рассеяния дефектов стресс-коррозии, трещин и других коррозионных повреждений осуществляется преобразователями Холла. Для исключения влияния магнитных полей рассеяния от полюсов электромагнита на преобразователи производится электрическая отстройка по каждому каналу с учетом действующей величины магнитного поля в зоне расположения преобразователя. Электрические цепи преобразователей через модули отстройки от помех и предварительной обработки информации подключаются ко входу блока обработки и накопления информации.

Преобразователь Холла воспринимает изменения тангенциальной составляющей напряженности поля дефекта.

E_н= RH_τjsinα, где H_τ - вектор тангенциальной составляющей напряженности поля дефекта; j - плотность тока в проводнике, R - постоянная Холла, α - угол между векторами H и j.

Сканирование внутренней поверхности трубопровода осуществляется преобразователями 1 (фиг. 1), размещенными в упругих эластичных элементах 2 (фиг. 2), закрепленных на корпусах блоков намагничивания 3.

Блоки намагничивания 3 на корпусе дефектоскопа-снаряда расположены в двух кольцевых рядах (фиг. 2, фиг. 3) по окружности.

Кольцевые ряды блоков намагничивания смещены друг относительно друга на угол, обеспечивающий сканирование по всему периметру внутренней поверхности трубы.

Намагничивание секторов трубы между полюсами блоков намагничивания 3, до необходимой величины, в зависимости от толщины стенки и магнитных свойств материала обеспечивается путем пропускания постоянного тока по обмоткам 4 электромагнитов (фиг. 4). Для создания полей рассеяния дефектов типа стресс-коррозии и продольных трещин используются электромагниты постоянного тока, питаемые постоянным током от бортового турбогенератора. Необходимая величина намагниченности трубы в зависимости от толщины стенки и магнитных свойств материала обеспечивается за счет регулирования величины постоянного тока, протекающего по обмоткам полюсов электромагнитов.

Первичными источниками тока являются турбогенераторы 4, 5 (фиг. 4), от которых переменный ток поступает в выпрямитель тока 7, работающий с блоком аккумуляторов 8 в буферном режиме. Величина постоянного тока в обмотках блоков питания с учетом зависимости от перечисленных выше факторов корректируется в блоке управления питанием 9 по сигналу от преобразователя 10. Электропитание в обмотки блоков намагничивания и в бортовые системы подается по сигналу от кнопки пуска 11 (фиг. 4) при создании необходимой величины давления в камере запуска газопровода. В случае разгерметизации гермоконтейнера и натекания газа в него по сигналу от газоанализаторов 12, 13 блок управления 9 отключает электропитание от всех бортовых систем. В состав дефектоскопа-снаряда входит кольцо из эластичных элементов 14 с преобразователями, регистрирующими поля рассеяния дефектов по всему периметру внутренней поверхности трубы под воздействием остаточной намагниченности. Для определения местоположения обнаруженных дефектов на газопроводе в дефектоскопе-снаряде предусмотрена система путеизмерения, состоящая из одометрических датчиков 16, 17, модуля селекции сигналов и датчик угловой координаты мгновенной 19. Для измерения скорости и радиуса изгиба на дефектоскопе применены СВЧ преобразователи 20. Предварительная обработка информации и упаковка ее в накопитель осуществляются в блоке обработки и накопления информации 21 (БОНИ).

Модуль предварительной обработки информации построен на перепрограммируемых микросхемах, что позволяет, в случае необходимости, изменять и расширять функциональные возможности дефектоскопа.

Для обеспечения прохождения сужений магистрального трубопровода в дефектоскопе-снаряде применены эластичные манжеты и параллелограмные механизмы с пружинами, на которые установлены блоки намагничивания.

Дефектоскоп работает следующим образом.

После создания необходимой величины давления газа в полости между дефектоскопом и крышкой камеры запуска по сигналу кнопки пуска 11 (фиг. 4) к потребителям электроэнергии подключается блок управления питанием 9. За счет перепада давления дефектоскоп вводится в магистральный газопровод. По сигналам преобразователя 10, в необходимых случаях, поддерживается необходимая величина тока в электрообмотках блоков намагничивания, что обеспечивает оптимальный уровень намагничивания в трубах трубопровода. Этим обеспечивается один из определяющих факторов достоверности контроля. Возникающие магнитные поля рассеяния дефектов наружной и внутренней поверхности регистрируются преобразователями 22. Сигналы с преобразователей через модули коммутации и усиления 15 поступают во входную часть БОНИ, где они предварительно обрабатываются и затем поступают в энергонезависимый накопитель твердотельной памяти. В преобразователях 23 формируются сигналы от полей рассеяния дефектов внутренней поверхности, которые модули 24 коммутации и усиления также поступают во входную часть БОНИ, и после соответствующей обработки упаковываются в энергонезависимый накопитель твердотельной памяти.

Опрос преобразователей 1, 22 производится с постоянным интервалом вдоль образующей трубопровода вне зависимости изменений скорости движения дефектоскопа по сигналам БОНИ, формируемым по результатам измерения мгновенной скорости СВЧ-преобразователями 20.

Анализ информации, получаемой с преобразователей 1, работающих в приложенном поле, и преобразователей 22, работающих на остаточной намагниченности, позволяет определить местонахождение дефектов (на наружной или внутренней поверхности трубопровода), их тип и размеры с необходимой точностью.

4.4. Промышленная применимость (с примером реализации).

Предлагаемый проходной дефектоскоп выполнен на общепромышленных элементах. Обнаружения в трубопроводах стресс-коррозии и продольных трещин на ранней стадии их развития обеспечивается формой полюсов электромагнитов, концентрирующих в контролируемой зоне оптимальный уровень намагниченности трубы, высокочувствительными преобразователями, установленными по периметру дефектоскопа с необходимым интервалом и специальной обработкой информации.

Для считывания и регистрации магнитных полей рассеяния дефектов стресс-коррозии, трещин и других коррозионных повреждений неподвижно закрепленные преобразователи в междуполюсном пространстве блоков намагничивания устанавливаются с возможностью максимальной отстройки от полей рассеяния полюсов блоков намагничивания.

Преобразователи Холла устанавливаются в количестве, обеспечивающем восстановление магнитного рельефа над поверхностью изделия, а модуль отстройки от помех обеспечивает выполнение электрической отстройки по каждому каналу с учетом действующей величины магнитного поля в зоне расположения преобразователя. Для сбора, обработки и накопления информации электрические цепи преобразователей через модули отстройки от помех и предварительной обработки информации подключаются ко входу блока обработки и накопления информации.

Дефектоскоп имеет устройство для регулирования скорости движения по газопроводу в потоке газа, снабженное каналами перепуска газа, образованными цилиндрическими стенками корпуса, обечайки (на которой размещаются устройства намагничивания и съема информации) и вваренными по винтовой линии простенками, образующими винтовые каналы для перепуска газа, обеспечивающие поперечную составляющую силу давления газа на стенки и вращающий момент вокруг оси дефектоскопа, обеспечивающий совместно с роликами вращение дефектоскопа вокруг оси в газовом потоке, на входе которых устанавливается регулятор расхода газа, управляемый датчиками перепада давления на манжетах.

Резюме заявителя
Анализ, проведенный заявителем по известному ему уровню техники, показал, что предложенное изобретение не противоречит законам естественной природы, обладает новизной и промышленной применимостью, отвечает в отношении совокупности его существенных признаков требованию критерия "изобретательский уровень", так из уровня техники не выявляется влияние предписываемых предложенным изобретением преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками - на цилиндрическом основании размещены блоки (1, 2, 3, 27) поперечного намагничивания 3 и съема информации системы опроса с возможностью намагничивания (трубы) в двух кольцевых сечениях со смещением πd/2n (одного кольца относительно другого) участками с попарно встречными направлениями магнитного поля в каждом сечении, где n - число пар полюсов, блок регистрации информации включает модуль предварительной обработки и модуль накопления, снабжен часовым механизмом с кварцевым генератором и системой опроса измерительных каналов с фиксированной частотой, устройство снабжено дистанцирующими узлами 27, выполненными из материала с низким коэффициентом истирания и армированными стержнями из магнитомягкого материала с остаточной индукцией, равной остаточной индукции источника магнитного поля, блок энергоснабжения включает турбогенераторы; на достижение технического результата - обеспечении надежности работы дефектоскопа и достоверности контроля при выявлении продольных трещин на заглубленных в земле трубопроводах, выявлении стресс-коррозии на ранней стадии развития; из уровня техники не известен механизм достижения результата, раскрытый в материалах заявки.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для выявления продольных трещин в заглубленных магистральных трубопроводах. Дефектоскоп включает цилиндрическое основание с опорными узлами, на котором размещены блоки поперечного намагничивания и фиксации магнитных потоков рассеяния. Блоки поперечного намагничивания обеспечивают намагничивание трубы в двух кольцевых сечениях со смещением одного кольца относительно другого равным πd/2n, где n - число пар полюсов. Намагничивание производится участками с попарно встречными направлениями магнитного поля в каждом сечении. Дефектоскоп снабжен дистанцирующими узлами, выполненными из материала с низким коэффициентом истирания. Дистанцирущие узлы армированы стержнями из магнитомягкого материала с остаточной индукцией, равной остаточной индукции источника магнитного поля. Блок энергоснабжения устройства включает турбогенераторы. Устройство имеет повышенную надежность за счет отсутствия вращающихся узлов. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Магнитный проходной дефектоскоп, включающий цилиндрическое основание с опорными узлами, блок энергоснабжения, блок регистрации информации, блок скорости перемещения и источник магнитного поля, блок фиксации магнитных потоков рассеяния от дефектов в стенках трубопроводов, отличающийся тем, что на цилиндрическом основании размещены блоки поперечного намагничивания и съема информации системы опроса, с возможностью намагничивания (трубы) в двух кольцевых сечениях со смещением πd/2n (одного кольца относительно другого) участками с попарно встречными направлениями магнитного поля в каждом сечении, где n - число пар полюсов, блок регистрации информации включает модуль предварительной обработки и модуль накопления, снабжен часовым механизмом с кварцевым генератором и системой опроса измерительных каналов с фиксированной частотой, устройство снабжено дистанцирующими узлами, выполненными из материала с низким коэффициентом истирания и армированными стержнями из магнитомягкого материала с остаточной индукцией, равной остаточной индукции источника магнитного поля, блок энергоснабжения включает турбогенераторы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в блоке поперечного намагничивания и съема информации система опроса размещена в межполюсном пространстве с шагом преобразователей не более 4 мм. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорные узлы выполнены в виде манжет и опорных роликов, установленных под углом не более 30^o к оси трубы. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дистанцирующие узлы выполнены из полиуретана. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок энергоснабжения с турбогенераторами включает выпрямитель, блок аккумуляторов, блок управления питанием. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок скорости перемещения выполнен на одометрических датчиках.