УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ПРОХОДНОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N27/90 

Область техники

Изобретение относится к средствам неразрушающего внутреннего проходного контроля труб и трубопроводов, сваренных в плети различной конфигурации с постоянным проходным сечением, в том числе и с нанесенной на внешнюю поверхность диэлектрической изоляцией. Устройство вихретокового контроля предназначено для механизированного контроля вихретоковым методом поверхностных и подповерхностных дефектов типа трещины, закаты, металлургические и эксплуатационные дефекты типа нарушения сплошности металла (трещины, расслоения, ужимы, надрезы и т.п.) и разнотолщинность.

Предшествующий уровень техники

Известно устройство наружного проходного вихретокового контроля (справочник «Неразрушающий контроль» под ред. Чл.-кор. РАН В.В.Клюева стр.544 рис.11.15 и стр.545 рис.11.16), которое выполнено с катушками вихретокового преобразователя, охватывающими трубу. Недостатками известных устройств является то, что при дефектоскопии используется система дополнительного подмагничивания с целью повысить отношение сигнал/помеха. Устройство требует точной центровки трубы, поскольку радиальные смещения относительно катушки приводят к неоднородности магнитного поля в зоне контроля из-за малого отношения длины возбуждающей обмотки к ее диаметру.

При значительном изменении зазора между вихретоковым преобразователем и трубой в результате несоосности возникают помехи, а также изменяется чувствительность вихретокового преобразователя.

Для дефектоскопии всего тела трубы необходимы дополнительные устройства, необходимые для центрирования трубы, вращения вихретокового преобразователя и поступательного движения (перемещения) трубы через измерительную катушку, при этом их невозможно применить в тех случаях, когда доступ к наружной поверхности труб затруднен или невозможен.

Наиболее близким является «Устройство для дефектоскопии труб теплообменников», (справочник «Неразрушающий контроль» /Под ред. Чл.-кор. РАН В.В.Клюева стр.544 рис.11.15 и стр.545 рис.11.16). Конструкция внутренних проходных датчиков для контроля труб соединена кабелем и гибким шлангом, который имеет центрирующие втулки. Для размещения вихретокового преобразователя внутри труб применяют штанги разных конструкций с центрирующими устройствами, а для прохождения изгибов труб вихретоковым преобразователем выполняют в виде сочлененных шарнирно узлов. Устройство протягивается сквозь трубу с постоянной скоростью. Недостатком известного устройства является сложность его конструкции и низкая скорость контроля, а длина сочлененных шарнирно узлов и соединительных кабелей ограничивает длину контролируемых труб, при этом устройство не позволяет контролировать места с изгибами малого радиуса.

Раскрытие изобретения

Указанные недостатки устранены в заявленном устройстве. Заявленное устройство для неразрушающего проходного контроля применяют для дефектоскопии труб, в том числе и в тех случаях, когда доступ к их наружной поверхности затруднен или невозможен. Часто такие трубы имеют U-образную форму. Устройство позволяет контролировать места изгибов трубопровода малого радиуса, имеющих проходное сечение, равное сечению основной трубы. Особенностью данного устройства является возможность сканирования трубных систем по всей длине без тщательной подготовки поверхности с высокой скоростью и возможностью оценки состояния внутренней поверхности трубы на всю глубину стенки по окружности. Устройство создает равномерное магнитное поле в поперечном сечении трубы. Предлагаемому устройству не требуются дополнительные конструкции, необходимые для центровки, перемещения и подачи труб в зону контроля, его легко установить и легко эксплуатировать, при этом контроль осуществляется непосредственно по внутренней поверхности трубы.

Лучший вариант осуществления изобретения

Общий вид устройства для неразрушающего внутреннего проходного контроля труб представлен на фиг.1, где 1 - внешнее полушарие, 2 - внутреннее диэлектрическое полушарие, 3 - возбуждающий индуктивный элемент (обмотка), 4 - сегменты, 5 - сердечник, 6 - приемно-измерительный индуктивный элемент (обмотка), 7 - концентратор.

На фиг.2 представлено сечение А-А фиг.1, где изображено: 1 - внешнее полушарие, 3 - возбуждающий индуктивный элемент (обмотка), 6 - приемно-измерительный индуктивный элемент (обмотка), 5 - сердечник.

На фиг.3 представлено сечение В-В фиг.1, где изображено: 1 - внешнее полушарие, 2 - внутреннее диэлектрическое полушарие, 3 - возбуждающий индуктивный элемент (обмотка), 4 - сегменты, 5 - сердечник, 6 - приемно-измерительный индуктивный элемент (обмотка), 7 - концентратор.

На фиг.4 представлен вид С на фиг.1, где изображено: 3 - возбуждающий индуктивный элемент (обмотка), 9 и 10 проводники.

На фиг.5 представлен вид D на фиг.4, где изображено: 3 - возбуждающий индуктивный элемент (обмотка) одного из полушарий, 8 - диэлектрический изолятор, 9 и 10 - проводники.

На фиг.6 представлен вид Е на фиг.1, где изображено: 3 - возбуждающий индуктивный элемент (обмотка), 5 - сердечник, 6 - приемно-измерительный индуктивный элемент (обмотка), 11 - генератор, 12 - блок измерений, 13 - датчик пути, 14 - аккумулятор.

На фиг.7 представлен вид Е на фиг.1, где изображено: 5 - сердечник; 7 - концентратор.

Устройство для неразрушающего контроля труб в виде полого шара состоит из двух полушарий, выполненных многослойными. Полушария фиг.1 и фиг.2 выполнены из электропроводящего материала и совместно представляют собой одновременно несущую конструкцию, и являются частью магнитной системы образуя, шаровой магнитопровод. Со стороны внутренней полости внешнего полушария 1 расположены диэлектрические полушария 2 на фиг.1, между которыми расположен возбуждающий индуктивный элемент вихретокового преобразователя 3.

Возбуждающий индуктивный элемент вихретокового преобразователя 3 каждого полушария выполнен из кольцевых (коаксиальных) витков переменного сечения фиг.4 и фиг.5. Концы кольцевых витков возбуждающего индуктивного элемента полушарий соединены параллельно проводниками 9, 10, которые находятся в плоскости, перпендикулярной кольцевым виткам, и расположены один над другим через изолятор 8 фиг.5.

Возбуждающий индуктивный элемент вихретокового преобразователя 3 предназначен для возбуждения вихревых токов в контролируемой трубе.

Приемно-измерительный индуктивный элемент вихретокового преобразователя 6 фиг.6 выполнен из двух катушек, соединенных параллельно. Катушки 6 расположены в параллельных плоскостях, а их витки взаимно перпендикулярны и между ними помещен концентратор 7. Приемно-измерительный элемент вихретокового преобразователя предназначен для преобразования электромагнитного поля вихревых токов в сигнал преобразователя.

На внутренних поверхностях диэлектрических полусфер с равномерным шагом закреплены сегменты 4 фиг.1 и фиг.3, которые выполнены, например, из ферромагнитного материала (феррита) переменного треугольного профиля.

Внутренняя полость полусфер заполнена ферромагнитным материалом 5, который является сердечником вихретокового преобразователя. Сердечник вихретокового преобразователя (выполненный, например, из вспененного полистирола с ферромагнитным порошком) одновременно фиксирует сегменты 4, индуктивные катушки приемно-измерительного элемента 6 вихретокового преобразователя и концентратор 7 фиг.3.

В плоскости стыка двух полушарий сердечник вихретокового преобразователя имеет полости для размещения диагностической аппаратуры фиг.7, которая включает в себя генератор 11, блок измерений 12, датчик пройденного пути 13 и автономный аккумулятор 14.

Блок измерений 12 оснащен микропроцессорным вычислительным устройством с энергонезависимой памятью, в которой автоматически запоминаются результаты измеряемых параметров объекта контроля (трубы).

Устройство работает следующим образом.

Устройство, выполненное в виде шара, запускается в отверстие трубы и начинает двигаться (катиться), сканируя внутреннюю поверхность, работая в динамическом режиме. Сегменты 4 фиг.1 обеспечивают ориентацию и заданное направления движения шара.

Устройство включает в себя электронный блок диагностической аппаратуры фиг.6, который состоит из генератора 11 колебаний (импульсов), т.е. колебаний, получаемых, например, при заряде и разряде конденсаторов и блока измерений 12, который организует работу системы, обеспечивает сбор, обработку, запоминание, хранение и представление информации. Для питания электронной аппаратуры используется автономная аккумуляторная батарея 14.

Возбуждающая обмотка вихретокового преобразователя 3 фиг.1 и фиг.6 подключена к генератору 11 релаксационных колебаний, например мультивибратору, а премно-измерительная обмотка 6 фиг.1 и фиг.6 соединена с блоком измерения 12 диагностической аппаратуры, предназначенным для выделения и обработки сигналов, несущих информацию об измеряемом параметре объекта контроля (трубы). Генератор 11 и блок измерений 12 соединены с автономной аккумуляторной батареей 14 фиг.6.

Во время движения и работы шара датчик пройденного пути 13 определяет величину и направление перемещения устройства, а также выдает синхронизирующие импульсы с определенным шагом в блок измерений 12 для регистрации и запоминания данных контроля с привязкой по координате пути. Блок измерений 12 фиг.6 имеет энергонезависимую память и интерфейс для передачи накопленных данных через адаптер связи на внешнее устройство, например компьютер.

Кольцевые витки возбуждающего индуктивного элемента 3 фиг.4 в виде правильной окружности обеспечивают равномерность распределения электромагнитного поля по поверхности шара.

Благодаря ферромагнитному сердечнику 5 фиг.1 усиливается электромагнитное поле и повышается чувствительность (абсолютная) к изменению контролируемых параметров.

Концентратор 7 фиг.7, выполненный, например, из латуни и расположенный между витками приемно-измерительной катушки служит для возбуждения вихревых токов и способствует вытеснению магнитного поля из области, где они расположены, концентрируя и локализуя его в зоне контроля приемно-измерительного элемента.

Вихретоковый контроль основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля обмотки возбуждения вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, возбуждаемых в объекте контроля переменным магнитным полем вихретокового преобразователя.

Совместно внешние полушария образуют сферу шара, которая является магнитопроводом, где непосредственно замыкаются вихревые токи, образуя вихреобразные контуры, сцепляющиеся с индуктирующим их магнитным потоком.

Вихревые токи создают в магнитопроводе шара магнитное поле, которое при контроле возбуждает вторичные вихревые токи в трубе.

Сканирование поверхности трубы устройством в виде шара происходит в динамическом режиме при вращательном перемещении вихретокового преобразователя и поступательном движении вдоль трубы. Благодаря скоростному эффекту перераспределяются магнитные поля за счет возникновения в трубе вторичных вихревых токов, обусловленных пересечением тела трубы вращающимся и движущимся поступательно электромагнитным полем шара. Причем с одной стороны шара магнитный поток усиливается, совпадая по знаку с индуктирующим магнитным потоком, оказывая намагничивающее действие на сегменты 4 фиг.3, а с противоположной стороны шара - уменьшается, поскольку они противоположны по знаку и оказывают размагничивающее действие на сегменты 4. В результате для шара создаются условия для смещения его центра тяжести из положения неустойчивого равновесия и как результат движение (качение) по трубе.

Изменение направления электрического поля возбуждающего вихретокового преобразователя приводит к изменению направления магнитного поля и к изменению направления движения (качения) шара.

Вихревые токи возникают в проводящих телах как вследствие изменения магнитного потока во времени, так и в результате относительного перемещения проводящего тела и магнитного потока.

Согласно закону Ленца переменное магнитное поле вихревых токов стремится противодействовать изменениям магнитного потока, индуктирующего вихревые токи. В результате взаимодействия этих полей изменяется результирующее магнитное поле и полное сопротивление приемно-измерительной катушки, что и отмечает блок измерения 12 фиг.6.

После окончания работы по дефектоскопии трубы, устройство подключают через адаптер к персональному компьютеру для считывания и обработки записанной информации, а также при необходимости внешним кабелем подключают автономную аккумуляторную батареею к зарядному устройству. Считывание и расшифровка проводятся согласно инструкции по эксплуатации на программное обеспечение.

Распределение плотности вихревых токов в проводящем объекте контроля определяется источником электромагнитного поля, геометрическими и электромагнитными параметрами объекта контроля. При дефектоскопии труб движение шара может быть обеспечено как за счет изменения электромагнитного поля, так и за счет перепада давления в трубе (при движении шара вверх по уклону) или самокатом, за счет ее уклона, при движении шара вниз, а также сочетанием этих комбинаций.

Изобретение относится к средствам неразрушающего внутреннего проходного контроля труб, сваренных в плети различной конфигурации, в том числе и с нанесенной на внешнюю поверхность диэлектрической изоляцией и внешними элементами конструкций, например опорами. Устройство для неразрушающего контроля труб выполнено в виде полого шара с диагностической аппаратурой, который состоит из двух полушарий, выполненных многослойными. Между диэлектрическими полушариями расположен возбуждающий индуктивный элемент вихретокового преобразователя, а в центральной части шара размещен приемно-измерительный элемент вихретокового преобразователя с концентратором, причем внутренняя полость шара заполнена ферромагнитным материалом, который является сердечником вихретокового преобразователя. Технический результат: эксплуатационная надежность и возможность контроля в случаях, когда доступ к наружной поверхности затруднен или невозможен, устройству не требуется дополнительное оборудование, необходимое для центровки перемещения и подачи труб в зону контроля, который осуществляется непосредственно по внутренней поверхности трубы. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для неразрушающего контроля труб, отличающееся тем, что устройство с вихретоковым преобразователем выполнено в виде шара.2. Устройство для неразрушающего контроля труб по п.1, отличающееся тем, что шар выполнен полым и состоит из двух полушарий с диагностической аппаратурой, причем полушария содержат возбуждающий индуктивный элемент вихретокового преобразователя, а центральная часть шара представляет собой приемно-измерительный индуктивный элемент вихретокового преобразователя с концентратором, при этом полость каждого полушария заполнена электропроводящим материалом, представляющим собой сердечник индуктивного элемента.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждое полушарие имеет несущую внешнюю оболочку из электропроводящего материала и совместно образуют магнитопровод шара.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полушария выполнены многослойными и содержат возбуждающий индуктивный элемент вихретокового преобразователя, выполненный из кольцевых коаксиальных витков, концы которых соединены параллельно проводниками и находятся в плоскости, перпендикулярной кольцевым виткам и расположены один над другим через изолятор.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что движение шара обеспечивается изменяемым магнитным полем.6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на внутренних поверхностях полусфер по периметру шара расположены сегменты, которые включены в сердечник.