ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЗОНД ДЛЯ ВНУТРИТРУБНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ МАТЕРИАЛА СТЕНКИ ТРУБЫ Российский патент 2007 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к внутритрубной дефектоскопии материала стенки бурильных и обсадных труб забоев скважин, и может быть использовано при производстве таких труб.

Известны самоходные установки типа "Кроулер", содержащие панорамный радиационный излучатель, аккумуляторную батарею, генератор, блок детекторов, электрический привод и др. [Проспект фирмы JME (Англия) Кроулеры, Представительство фирмы в России ООО "Русско-Британское Предприятие "Спектрум НТД", проспект прилагается].

Недостатками известных установок являются высокая экологическая опасность для обслуживающего персонала и окружающей среды, так как используемые изотопы излучают радиоактивное поле, трудоемкость и не безопасность обслуживания, возможно контролировать только сварные швы труб большого диаметра.

Известны электромагнитные зонды, содержащие матричные индуктивно-вихретоковые преобразователи, катушки индуктивности которых выполнены в виде групп, ориентированных друг к другу перпендикулярно [см. А.с. СССР № 1350594, 1987, БИ № 41] или ориентированных плоскопараллельно к исследуемому объекту [Патент № 2172268, 2001, БИ № 23].

Функциональные возможности этих зондов ограничены тем, что они контролируют плоскую поверхность протяженных размеров и неприменимы для использования при дефектоскопии труб среднего диаметра, таких как бурильных и обсадных труб. Необходимость контроля качества материала таких труб при их изготовлении обусловлена тем, что скважины могут быть как вертикальными, так и наклонными, поэтому при эксплуатации сборок труб возникают большие изгибные нагрузки, которые могут привести к разрыву трубы в месте ее дефекта, необнаруженного из-за отсутствия операции контроля.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому представляется панорамный магнитный "Кроулер", содержащий генератор, блок детекторов и средства управления "Кроулером" и обработки информации [В.Ф.Мужицкий, В.П.Курозаев, А.С.Бакунов и др. Новые магнитные и вихретоковые средства неразрушающего контроля и технической диагностики // Контроль. Диагностика. - 1999. № 5. - С.5-9].

Недостатком этого "Кроулера" являются ограниченные функциональные возможности контролем швов сварных соединений на трубах большого диаметра из ферромагнитного материала.

Сущность изобретения заключается в том, что в электромагнитный зонд для внутритрубной дефектоскопии материала стенки трубы, содержащий бортовой источник питания, последовательно соединенные генератор фиксированной частоты, коммутатор, матричный панорамный индуктивно-вихретоковый преобразователь, состоящий из n накладных катушек индуктивности, и детектор, а также трос с кабелем связи, введена лента из эластичного материала, снабженная с одной из сторон бахромой, а n накладных катушек индуктивности матричного преобразователя размещены в поперечном сечении полого цилиндрического каркаса с равным шагом по окружности его внешней образующей поверхности, каркас изготовлен из диэлектрического материала, при этом внешние рабочие поверхности накладных катушек выполнены заподлицо с образующей внешней цилиндрической поверхностью каркаса и на их поверхности закреплена лента бахромой наружу, предающая зонду вид бытового "ерша", бахрома выполнена одинаковой высоты, элементы блоков генератора, коммутатора и детектора изготовлены на печатной плате, размещенной в полости цилиндрического каркаса, которая заполнена герметизирующим компаундом, для батареи питания предусмотрен отдельный отсек в полости каркаса, трос жестко прикреплен к торцу каркаса зонда, а кабель связи подключен к выходу детектора.

Техническим преимуществом предложенного зонда являются его малые габариты за счет вывода из его конструкции вторичных средств преобразования сигнала, но получения устойчивого сигнала на выходе зонда, а также сплошная (по всему телу) внутритрубная дефектоскопия стенки трубы как ферромагнитного, так и неферромагнитного материала при движении зонда внутри трубы.

На фиг.1 показано размещение зонда в трубе в разрезе; на фиг.2 - поперечное сечение по А-А фиг.1.

Зонд содержит источник питания 1, генератор 2 переменной частоты, коммутатор 3, матричный панорамный индуктивно-вихретоковый преобразователь с n катушками 4 индуктивности, размещенными в поперечном сечении полого цилиндрического каркаса 5 на внешней его поверхности, детектор 6. Технологически в теле поперечного сечения каркаса 5 с равным шагом по окружности сечения выполнены отверстия, в которые вложены катушки 4 индуктивности, так чтобы их рабочая поверхность была заподлицо с внешней поверхностью каркаса 5. Катушки 4 в отверстиях каркаса 5 крепятся, например, клеем. Каркас изготовлен из жесткого диэлектрического материала. Катушки 4 индуктивности включены в колебательные контуры и настроены в резонанс для увеличения метрологических характеристик матричного преобразователя. Под словом панорамный следует понимать охват контролем полное поперечное сечение трубы.

На внешние поверхности катушек 4 и каркаса 5 прикрепляется пленка 7 с бахромой 8, например, клеем, обращенной во внешнюю сторону и имеющей одинаковую высоту. Пленка 7 с бахромой 8 выполнены из диэлектрического, эластичного и износоустойчивого материала типа лавсана и придает зонду вид бытового (хозяйственного) "ерша". Такая пленка может выполняться, например, в виде чулка. Внутри полости каркаса предусмотрен отсек для размещения источника питания 1, в качестве которого может быть аккумуляторная батарея, в оставшейся полости размещена печатная плата 9, на которой установлены элементы генератора 2, коммутатора 3 и детектора 6.

Толщина, как и химический состав испытуемой трубы подразумеваются квазиодинаковыми соответственно. Вход генератора 2 соединен с выходом источника питания 1, а выход - с входом коммутатора 3. N выходов коммутатора 3 связаны с n входами матричного преобразователя, выход которого подключен к входу детектора 6.

Генератор 2 предназначен для генерирования напряжения фиксированной переменной частоты, величина которой назначается исходя из толщины стенки трубы, которую необходимо полностью просвечивать, и химического состава ее материала. Для приближенной оценки глубины проникновения электромагнитного поля накладного индуктивно-вихретокового преобразователя в объект контроля можно воспользоваться формулой проникновения δ (м) плоской волны:

где ω - круговая частота тока возбуждения преобразователя; μ - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; σ - удельная электрическая проводимость материала объекта контроля, См/м.

Коммутатор 3 выполняет функции переключения входов преобразователя с частотой на порядок и более меньшей, чем частота генератора 2 с тем, чтобы исключить взаимовлияние n катушек 4 индуктивности. Детектор 6 предназначен для выпрямления аналогового переменного информационного сигнала в постоянный сигнал для увеличения его помехоустойчивости при передаче и возможности передачи его на большое расстояние.

Трос 10 закреплен на одном из торцов каркаса 5 зонда и предназначен для протягивания его внутри трубы посредством электрического привода, установленного снаружи трубы (не показан). Скорость протягивания не превышает 20...30 м в минуту. Так как зонд покрыт бахромой одинаковой высоты, то при протягивании его в полости трубы зазор между внутренней поверхностью трубы и внешней поверхностью каркаса с катушками 4 всегда постоянен. Поскольку отдельные трубы не бывают более длины транспортировочного железнодорожного вагона (12 м), то и длину троса можно выбрать в пределах 13 м. Электрический кабель 11 присоединен к выходу детектора 6 для передачи информационного сигнала при необходимости на вторичный преобразователь (также не показан) для дальнейшего его анализа.

Работа зонда. Испытуемая труба устанавливается на стапель и закрепляется. На одном из торцов трубы размещают зонд, при этом трос и кабель связи зонда протягивают через полость трубы на противоположный ее торец. После прогрева элементов зонда источником питания включают генератор 2, который возбуждает через коммутатор 3 поочередно с частотой коммутации колебательные контуры n катушек 4 индуктивности матричного преобразователя.

В соответствии с этим каждая катушка 4 индуктивности создает в локальной зоне так называемое первичное электромагнитное поле, которое, проникая в материал стенки ферромагнитной или неферромагнитной трубы, наводит в нем вихревые токи. Эти токи возбуждают вторичное электромагнитное поле, которое взаимодействует с первичным полем. По степени взаимодействия первичного и вторичного электромагнитных полей электрический сигнал на выходе данного колебательного контура меняется. Этот сигнал выпрямляется в детекторе 6 и поступает в кабель 11 связи. По изменению выпрямленного сигнала судят о структуре материала (пустоты, инородные включения и др.). При необходимости сигнал подают на периферийные блоки для запоминания, регистрации и выполнения других функций.

Техническим преимуществом предложенного зонда являются его малые габариты за счет вывода из его конструкции вторичных средств преобразования сигнала, но получения устойчивого сигнала на выходе зонда, а также сплошная (по всему телу) внутритрубная дефектоскопия стенки трубы как ферромагнитного, так и неферромагнитного материала при движении зонда.

Использование: для внутритрубной дефектоскопии материала стенки трубы. Сущность: заключается в том, что электромагнитный зонд для внутритрубной дефектоскопии материала стенки трубы содержит бортовой источник питания, последовательно соединенные генератор фиксированной частоты, коммутатор, матричный панорамный индуктивно-вихретоковый преобразователь, состоящий из n накладных катушек индуктивности, и детектор, а также трос с кабелем связи, при этом в зонд введена лента из эластичного материала, снабженная с одной из сторон бахромой, a n накладных катушек индуктивности матричного преобразователя размещены в поперечном сечении полого цилиндрического каркаса с равным шагом по окружности его внешней образующей поверхности, каркас изготовлен из диэлектрического материала, при этом внешние рабочие поверхности накладных катушек выполнены заподлицо с образующей внешней цилиндрической поверхностью каркаса и на эти поверхности каркаса и катушек закреплена лента бахромой наружу, придающая зонду вид бытового "ерша", бахрома выполнена одинаковой высоты, элементы блоков генератора, коммутатора и детектора изготовлены на печатной плате, размещенной в полости цилиндрического каркаса, которая заполнена герметизирующим компаундом, для источника питания предусмотрен отдельный отсек в полости каркаса, трос жестко прикреплен к торцу каркаса, а кабель связи подключен к выходу детектора. Технический результат: уменьшение габаритов зонда, получение устойчивого сигнала на выходе зонда, а также осуществление сплошной внутритрубной дефектоскопии стенки трубы как ферромагнитного, так и неферромагнитного материала. 2 ил.

Электромагнитный зонд для внутритрубной дефектоскопии материала стенки трубы, содержащий бортовой источник питания, последовательно соединенные генератор фиксированной частоты, коммутатор, матричный панорамный индуктивно-вихретоковый преобразователь, состоящий из n накладных катушек индуктивности, и детектор, а также трос с кабелем связи, отличающийся тем, что в зонд введена лента из эластичного материала, снабженная с одной из сторон бахромой, a n накладных катушек индуктивности матричного преобразователя размещены в поперечном сечении полого цилиндрического каркаса с равным шагом по окружности его внешней образующей поверхности, каркас изготовлен из диэлектрического материала, при этом внешние рабочие поверхности накладных катушек выполнены заподлицо с образующей внешней цилиндрической поверхностью каркаса и на эти поверхности каркаса и катушек закреплена лента бахромой наружу, придающая зонду вид бытового "ерша", бахрома выполнена одинаковой высоты, элементы блоков генератора, коммутатора и детектора изготовлены на печатной плате, размещенной в полости цилиндрического каркаса, которая заполнена герметизирующим компаундом, для источника питания предусмотрен отдельный отсек в полости каркаса, трос жестко прикреплен к торцу каркаса, а кабель связи подключен к выходу детектора.