СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ОТЛОЖЕНИЙ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ ВИХРЕТОКОВЫМ МЕТОДОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01N27/72 G01B7/06 

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано на трубопроводах нефти и газа на химических и нефтехимических предприятиях, тепловых и атомных энергоустановках.

Существует способ [1] определения толщины слоя парафинов на внутренней стороне нефте- и газопроводов. Изобретение относится к области транспортировки углеводородов по трубопроводам. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения отложений парафинов. В способе определения толщины слоя парафинов на внутренней стороне нефте- и газопровода, при котором локально подводят акустическую энергию к внешней поверхности трубопровода и определяют характер затухания колебаний как для трубопровода, на внутренней стороне которого отсутствуют отложения, так и для участков трубопровода с отложениями известной толщины и, сравнивая эти данные, судят о толщине отложений, при определении характера затухания колебаний регистрируют кривую затухания многократно отраженного внешнего отклика, сравнивая при этом угол наклона кривых.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ [2] определения толщины слоя отложений, возникающих в процессе эксплуатации на внутренних и внешних поверхностях труб, с помощью вихретоковых приборов. Чтобы реализовать данный способ необходимо создание калибровочного образца с минимум двумя «кольцами» отложений, применение вихретокового прибора к калибровочной трубе, причем амплитуда сигнала от калибровочной трубы используется для получения степенной зависимости вихретокового сигнала от реальной толщины колец отложения, получения базового смещения сигнала от калибровочной трубы, применение вихретокового метода к парогенератору, определяя и записывая сигналы от парогенератора, вычитанию базового смещения сигнала от сигнала с трубок парогенератора для получения скорректированного сигнала и определения толщины отложений в парогенераторе по скорректированному вихретоковому сигналу и алгебраическому уравнению. К недостаткам данного способа можно отнести:

1. Необходимость использования чистой трубы без отложений, соответствующей по своим параметрам (толщине стенки и удельной электрической проводимости материала) трубам с отложениями, которые необходимо контролировать.

2. Необходимость наличия калибровочного образца с двумя толщинами отложений (используемого для получения зависимости вихретокового сигнала от толщины отложения), что является довольно сложной технической проблемой, учитывая, что параметры получаемых искусственно отложений могут отличаться от реальных.

3. Не учитывается зависимость вихретокового сигнала от структуры и типа отложений, что подразумевает применимость прибора для отложений того типа, который использовался при создании калибровочных толщин.

Технической задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является возможность проведения контроля отложений без использвания калибровочных образцов и возможность определения структурного состояния (электропроводимости) отложений, что дает возможность контроля отложений различного типа.

Технический эффект, выражающийся в определении электропроводимости отложения, обеспечивается тем, что в известном способе определения отложений на внутренней поверхности труб вихретоковым методом с помощью накладного датчика, по круговой возбуждающей катушке которого пропускают переменный ток, а измерительная катушка подключена к блоку обработки сигнала, по изменениям тока судят о параметрах отложения согласно изобретению на возбуждающую катушку радиусом R_в, выбираемым из соотношения $$3\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)>R_{в}>\mathrm{1,0}\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)$$ , где $${\delta }_{м}^{н}$$ и $${\delta }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значение толщины, соответственно, стенки трубы и отложений, воздействуют прямоугольными импульсами тока с периодом $$T_{в}\ge 3R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)$$ , где $${\sigma }_{м}^{н}$$ и $${\sigma }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значение удельной электропроводимости, соответственно, металла и отложения, о параметрах отложения судят по амплитудно-временным характеристикам отклика измерительной катушки, причем в интервале времени $$t=\left(\mathrm{0,03}÷\mathrm{0,3}\right)R_{в}{\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}{\mu }_0$$ измеряют толщину δ_м и электропроводимость δ_м металла трубы и в интервале $$t=\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,6}\right)R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)$$ определяют параметры отложения δ_о и σ_о с учетом определенных ранее δ_м и σ_м.

В части устройства технический эффект, выражающийся в определении электропроводимости отложения на внутренней поверхности труб, достигается тем, что в известном устройстве определения толщины отложений на внутренней поверхности труб вихретоковым методом, содержащем генератор переменного тока, вихретоковый датчик с возбуждающей и измерительной катушками, блок обработки информации сигнала измерительной катушки, согласно изобретению радиус R_в возбуждающей катушки выбирают из условия $$3\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)>R_{в}>\mathrm{1,0}\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)$$ , где $${\delta }_{м}^{н}$$ и $${\delta }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значение толщины, соответственно, стенки трубы и отложений, в качестве генератора переменного тока используют генератор прямоугольных импульсов с периодом $$T_{в}\ge 3R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)$$ , где $${\sigma }_{м}^{н}$$ и $${\sigma }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значение удельной электропроводимости, соответственно, металла и отложения, устройство снабжено также усилителем, аналого-цифровым преобразователем, микроконтроллером, индикаторами толщины и электропроводимости, при этом выход генератора прямоугольных импульсов присоединен к возбуждающей катушке датчика, измерительная катушка присоединена ко входу усилителя, выход усилителя подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микроконтроллера, к одному выходу микроконтроллера присоединен индикатор толщины отложений, ко второму - индикатор электропроводимости отложения.

Предлагаемое решение задачи может быть реализовано с любым типом вихретоковых датчиков. Здесь и далее для примера рассмотрены накладные датчики, которые используются для контроля объектов с любой поверхностью (плоской, цилиндрической и т.п.).

Сущность способа поясняется чертежами

На фиг.1 показан двухслойный объект контроля (например, стенка трубы) с верхним слоем металла 1, толщиной δ_м и нижним слоем отложения 2 толщиной δ_о, вблизи которого расположен накладной вихретоковый датчик с возбуждающей 3 и измерительной 4 катушками. На фиг.2 - форма импульсного тока i_в. На фиг.3 - типичная форма импульсного отклика u(t) измерительной катушки для различных значений параметров металла и отложений (толщин δ_м и δ_о и электропроводностей σ_м и σ_о). На фиг.4 построены разностные кривые для приращений параметров объектов с отложениями по отношению к объекту без отложений: Δu(t)=u(t, σ_м, δ_м, δ_о, σ_о,)-u(t, $${\delta }_{м}^{н}$$ , $${\sigma }_{м}^{н}$$ , δ_о=0, σ_о=0). На фиг.5 в осях u(t₁) и u(t₂) построены кривые для различных значений δ_м и σ_м (где t₁ и t₂ - моменты времени в начальной стадии импульсного сигнала (фиг.4)). На фиг.6 на плоскости с осями Δu_мах и τ_мах (Δu_мах - максимальное значение кривых на фиг.4 и τ_мах - время, соответствующее этому значению) построены кривые для различных значений δ_о и σ_о. На фиг.7 показана структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Способ осуществляется следующим образом. По возбуждающей катушке вихретокового датчика (фиг.1) радиусом R_в, таким, что $$3\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)>R_{в}>\mathrm{1,0}\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)$$ , пропускают импульсный ток (фиг.2) с периодом $$T_{в}\ge 3R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)$$ (где $${\delta }_{м}^{н}$$ и $${\sigma }_{м}^{н}$$ - номинальные значения толщины и электропроводимости металла, $${\delta }_{о}^{м}$$ и $${\sigma }_{о}^{м}$$ - максимальные значения толщины и электропроводимости отложений, µ₀ - магнитная постоянная). По типичному отклику u(t) измерительной катушки (фиг.3) для различных значений параметров объекта контроля трудно судить о значениях δ_м, σ_м, δ_о, σ_о, поэтому на фиг.4 построены разностные кривые Δu(t) при изменении этих параметров.

Вихревые токи при импульсном возбуждении (фиг.2) постепенно проникают вглубь объекта от поверхности, обращенной к датчику, при этом в начальный момент времени глубина проникновения очень мала и прогрессивно увеличивается с течением времени. Таким образом, в начальные моменты (0-t₁) времени сигнал зависит только от электропроводимости металла, затем вихревые токи достигают нижней границы металла (t≈t₂) и проникают в слой отложения и т.д. Электропроводимость отложения σ_о≈σ_м/(50÷200), поэтому влияние параметров отложения на величину сигнала в интервале (0-t₂) пренебрежимо мало.

В начальной стадии процесса $$\left(t_1-t_2\approx \left(\mathrm{0,03}÷\mathrm{0,3}\right)R_{в}{\mu }_0{\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}\right)$$ разностный сигнал зависит, в основном, от параметров металла, причем в интервале (0-t₁) величина Δu(t) определяется значением σ_м, а в интервале (t₁-t₂)Δu(t) - функция σ_м и δ_м. Если на плоскости с осями u(t₁) и u(t₂) отметить точки, соответствующие различным значениям σ_м и δ_м, то область, ограниченная кривыми, проведенными через эти точки, позволяет определить путем интерполяции значения σ_м и δ_м, соответствующие текущим Δu(t₁) и Δu(t₂).

Параметры отложения (δ_о и σ_о) определяются в пределах интервала $$\left(t_3-t_4\approx \left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,6}\right)R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)\right)$$ , где разностные кривые Δu(t)=u(t, $${\delta }_{м}^{н}$$ , $${\sigma }_{м}^{н}$$ , δ_о, σ_о)-u(t, $${\delta }_{м}^{н}$$ , $${\sigma }_{м}^{н}$$ , δ_о=0, σ_о=0), достигают максимума Δu_мах в моменты времени τ_мах (фиг.4). Если на плоскости с осями координат Δu_мах и τ_мах отметить точки (фиг.4) для различных δ_о и σ_о, то получим градуировочные кривые, по которым для текущих Δu_мах и τ_мах можно посредством интерполяции определять δ_о и σ_о (при номинальных параметрах $${\delta }_{м}^{н}$$ и $${\sigma }_{м}^{н}$$ ). Знание электропроводимости отложения, характеризующее его структурное состояние, представляет определенный интерес для технологов-эксплуатационников и является еще одним преимуществом заявленного способа.

Если δ_м и σ_м отличаются от номинальных, то необходимо строить разностные кривые типа как на фиг.4 с учетом конкретных значений δ_м и σ_м (по фиг.5). Зависимости, приведенные на фиг.3, 4, 5, 6, могут быть получены путем экспериментов, что довольно затруднительно, либо моделированием как на фиг.3-6. Объект контроля - слой немагнитного металла с номинальными толщиной $${\delta }_{м}^{н}=2$$ мм и электропроводимостью $${\sigma }_{м}^{н}=10$$ МСм, слой отложения толщиной δ_о=0,1÷2 мм, значение электропроводимости в пределах (0,05÷0,15) МСм, датчик с радиусом R_в=5 мм, R_и=4 мм.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет уменьшить погрешность определения толщины отложений различной физической природы, расширить область возможного его применения и поднять оперативность технического исполнения за счет того, что на исследуемом участке объекта контроля помещают накладной датчик, по возбуждающей катушке которого радиусом R_в, таким, что $$3\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)>R_{в}>\mathrm{1,0}\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)$$ , пропускают импульсный ток с периодом $$T_{в}\ge 3R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)$$ (где $${\delta }_{м}^{н}$$ и $${\sigma }_{м}^{н}$$ - номинальные значения толщины и электропроводимости металла, $${\delta }_{о}^{м}$$ и $${\sigma }_{о}^{м}$$ - максимальные значения толщины и электропроводимости отложений, µ₀ - магнитная постоянная), фиксируют импульсный отклик измерительной катушки, по амплитудно-временным характеристикам которого судят о величине отложений.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, изображена на фиг.7.

Вблизи поверхности двухслойного объекта контроля (стенка трубы, плоская поверхность) со стороны слоя металла 1 (более удаленный - слой отложения 2) расположен вихретоковый датчик, возбуждающая катушка 3 (измерительная катушка 4) которого радиуса R_в, такого, что $$3\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)>R_{в}>\mathrm{1,0}\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)$$ (где $${\delta }_{м}^{н}$$ - номинальная толщина слоя металла 1, $${\delta }_o^{м}$$ - максимальная толщина слоя отложения 2) питается от генератора 5 импульсным током i_в (фиг.2) с периодом $$T_{в}\ge 3R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)$$ (где $${\sigma }_{м}^{н}$$ , $${\sigma }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значение электропроводимости слоев металла и отложения). Сигнал измерительной катушки 4 усиливается усилителем 6 и через аналогово-цифровой преобразователь 7 поступает в персональный компьютер или микроконтроллер 8. Для текущего значения сигнала u(t) при произвольных $${\delta }_{м}^{н}$$ , $${\sigma }_{м}^{н}$$ , δ_о, σ_о (как на фиг.3) и для сигнала, хранящегося в памяти ПК и полученного либо экспериментально (что затруднительно), либо моделированием (типа как на фиг.3 для объекта без отложений при $${\delta }_{м}^{н}$$ и $${\sigma }_{м}^{н}$$ ) получаем разностную кривую как на фиг.4 и по амплитудным характеристикам в интервале времени $$\left(\mathrm{0,03}÷\mathrm{0,3}\right)R_{в}{\mu }_0{\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}$$ и с помощью имеющихся в памяти ПК градуировочных кривых (фиг.5) определяется δ_м и σ_м, по разностной кривой для интервала времени $$$$ $$\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,6}\right)R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)$$ определяем также Δu_мах и τ_мах и по градуировочным кривым (фиг.6), скорректированным с учетом известных δ_м и σ_м (фиг.5), находим δ_о и σ_о, значения которых поступают на индикаторы 9 и 10.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации RU 2257510 С1, МПК F17D 5/00, 27.07.2005 г.

2. Патент US 7405558, опубл. 29.07.2008 г.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано на трубопроводах нефти и газа на химических и нефтехимических предприятиях, тепловых и атомных энергоустановках. В способе определения отложений на внутренней поверхности труб вихретоковым методом с помощью накладного датчика, по круговой возбуждающей катушке которого пропускают переменный ток, а измерительная катушка которого подключена к блоку обработки сигнала, на возбуждающую катушку радиусом R_B, выбираемым из соотношения $$3\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)>R_{в}>\mathrm{1,0}\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)$$ , где $${\delta }_{м}^{н}$$ и $${\delta }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значение толщины, соответственно, стенки трубы и отложений, воздействуют прямоугольными импульсами тока с периодом $$T_{в}\ge 3R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)$$ , где и $${\sigma }_{м}^{н}$$ и $${\sigma }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значение удельной электропроводимости, соответственно, металла и отложения, а о параметрах отложения судят по амплитудно-временным характеристикам отклика измерительной катушки, причем в интервале времени $$t=\left(\mathrm{0,03}÷\mathrm{0,3}\right)R_{в}{\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}{\mu }_0$$ измеряют толщину δ_м и электропроводимость σ_м металла трубы и в интервале $$t=\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,6}\right)R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)$$ опре-деляют параметры отложения δ_о и σ_о с учетом определенных ранее δ_м и σ_м. Также предложено устройство для осуществления предложенного способа. Изобретение обеспечивает возможность проведения контроля отложений без использования калибровочных образцов и возможность определения структурного состояния (электропроводимости) отложений, что дает возможность контроля отложений различного типа. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ определения толщины отложений на внутренней поверхности труб вихретоковым методом с помощью накладного датчика, по круговой возбуждающей катушке которого пропускают переменный ток, а измерительная катушка подключена к блоку обработки сигнала, по изменениям тока судят о параметрах отложения, отличающийся тем, что на возбуждающую катушку радиусом R_B, выбираемым из соотношения $$3\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)>R_{в}>\mathrm{1,0}\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right),$$ где $${\delta }_{м}^{н}$$ и $${\delta }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значения толщины соответственно стенки трубы и отложений, воздействуют прямоугольными импульсами тока с периодом $$T_{в}\ge 3R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right),$$ где $${\sigma }_{м}^{н}$$ и $${\sigma }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значения удельной электропроводимости соответственно металла и отложения, о параметрах отложения судят по амплитудно-временным характеристикам отклика измерительной катушки, причем в интервале времени $$t=\left(\mathrm{0,03}÷\mathrm{0,3}\right)R_{в}{\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}{\mu }_0$$ измеряют толщину δ_м и электропроводимость σ_м металла трубы и в интервале $$t=\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,6}\right)R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right)$$ определяют параметры отложения δ_о и σ_о с учетом определенных ранее δ_м и σ_м.

2. Устройство определения толщины отложений на внутренней поверхности труб вихретоковым методом, содержащее генератор переменного тока, вихретоковый датчик с возбуждающей и измерительной катушками, блок обработки информации сигнала измерительной катушки, отличающееся тем, что радиус R_в возбуждающей катушки выбирают из условия $$3\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right)>R_{в}>\mathrm{1,0}\left({\delta }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}\right),$$ где $${\delta }_{м}^{н}$$ и $${\delta }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значения толщины соответственно стенки трубы и отложений, в качестве генератора переменного тока используют генератор прямоугольных импульсов с периодом $$T_{в}\ge 3R_{в}{\mu }_0\left({\delta }_{м}^{н}{\sigma }_{м}^{н}+{\delta }_{о}^{м}{\sigma }_{о}^{м}\right),$$ где $${\sigma }_{м}^{н}$$ и $${\sigma }_{о}^{м}$$ - номинальное и максимальное значения удельной электропроводимости соответственно металла и отложения, устройство снабжено также усилителем, аналого-цифровым преобразователем, микроконтроллером, индикаторами толщины и электропроводимости, при этом выход генератора прямоугольных импульсов присоединен к возбуждающей катушке датчика, измерительная катушка присоединена ко входу усилителя, выход усилителя подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микроконтроллера, к одному выходу микроконтроллера присоединен индикатор толщины отложений, ко второму - индикатор электропроводимости отложения.