СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ВО ВРЕМЕНИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ И/ИЛИ ГРАДИЕНТОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ТОЛЩИНЕ СТЕНОК МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ Российский патент 2018 года по МПК G01N29/07 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу определения изменяющихся во времени термомеханических напряжений и/или градиентов напряжения по толщине стенок металлических тел (1), в частности трубопроводов, причем согласно этому способу измеряют температуру поверхности по меньшей мере в одном месте измерения на наружной поверхности тела и устанавливают температурную кривую между внутренней поверхностью и наружной поверхностью на основании этой измеренной температуры.

Определение изменяющихся во времени термомеханических напряжений и/или градиентов напряжения имеет огромное значение, прежде всего для трубопроводов атомных электростанций, электростанций обычного типа и гелиотермальных электростанций, химических заводов или также ветровых электростанций, поскольку заключение об усталостных состояниях соответствующего компонента можно сделать на основании изменения во времени напряжений или градиентов напряжения, также называемых сериями зависимости напряжений от времени. Максимальные напряжения, которые обуславливают старение компонентов, обычно возникают на внутренней поверхности трубопроводов или прилегающих компонентов, например, вследствие быстрых изменений температуры среды, протекающей в трубопроводе, так что проведение прямого измерения является технически невозможным или возможно только с несоразмерно большими затратами.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для контроля трубопроводов или иных тел на появление усталости выведение серий зависимости напряжений от времени в напряженных частях путем измерения температуры на наружной поверхности трубопроводов известно, например, из публикации Дж. Рудольфа и др., «Концепция усталости AREVA - Трехэтапный подход к оценке усталости деталей электростанций» в книге «Атомные электростанции» под редакцией д-ра Сун Хун Чанга, Корейский институт перспективных научных исследований и технологий, Департамент ядерной и квантовой инженерии, Южная Корея, издательство: «InTech», 21 марта 2012 г., стр. 293-316. В данном случае вычисление локального напряжения производят на основе результата измерения температуры поверхности по методу конечных элементов.

Однако такой принцип измерений не позволяет определять характерные быстрые последствия деформаций, которые могут возникнуть, например, вследствие волнообразных процессов смешивания холодных и горячих потоков в трубопроводе, вызывающих температурные изменения на внутренней поверхности трубопровода. Подобные процессы смешивания, имеющие высокую частоту, во время эксплуатации могут также привести к появлению высоких уровней усталостных деформаций вплоть до возникновения проникающих трещин в стенках из-за соответствующей частоты возникновения деформаций с более низкими амплитудами.

Способ неразрушающего исследования материалов известен из международной публикации WO 2011/138027 А1, посредством которого детали, которые подвергаются воздействию высоких уровней механических и термических деформаций, например трубопроводы на электростанциях, химических заводах или нефтеперерабатывающих заводах, можно исследовать на предмет повреждения, вызванного усталостной деформацией. В данном способе два электромагнитных ультразвуковых преобразователя используют в отдельном приемопередающем устройстве для излучения поляризованных ультразвуковых волн в деталь и для измерения значений времени прохождения и амплитуд ультразвуковых волн как по эхо-импульсной технологии, так и по технологии передачи звука. В данном случае также осуществляют измерение сопротивления вихревым токам для сравнения этих измеренных переменных величин с соответствующими справочными данными. Возможные изменения микроструктуры стенки детали можно впоследствии выявить путем сравнения со справочными данными. Однако описанный в данной патентной заявке способ не позволяет определять изменяющиеся во времени градиенты термомеханических напряжений по толщине стенок трубопроводов.

В международной публикации WO 2004/109222 А2 приведено описание способа определения характеристик материалов металлических тел, в частности железнодорожных путей, причем согласно этому способу измерения осуществляют с использованием электромагнитных ультразвуковых преобразователей для определения характеристик материалов, в частности напряжения, плотности или жесткости материала. Кроме того, температуру измеряют в месте измерения с тем, чтобы скорректировать результаты ультразвуковых измерений на основе возможных температурных эффектов.

В документе US 5570900 А приведено описание способа определения нагрузок на деталь с использованием электромагнитных ультразвуковых преобразователей. Данный документ в основном относится к механической конструкции измерительного устройства, с помощью которого ультразвуковой преобразователь прикрепляют к детали.

Задача настоящего изобретения состоит в создании способа определения изменяющихся во времени термомеханических напряжений и/или градиентов напряжения по толщине стенок металлических тел, в частности трубопроводов, причем при использовании данного способа можно со стороны наружной поверхности определить быстрые изменения напряжения по толщине стенки, возникающие изнутри тела.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данная задача решена благодаря созданию способа согласно первому пункту формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления способа изложены в зависимых пунктах формулы изобретения или могут быть логически выделены из нижеприведенного описания и примеров осуществления изобретения.

Два различных способа измерений объединены в предлагаемом способе определения изменяющихся во времени термомеханических напряжений и/или градиентов напряжения по толщине стенки (по поперечному сечению тела или по толщине стенки трубопровода) металлических тел. С одной стороны, на наружной поверхности тела измеряют температуру поверхности, из которой устанавливают температурную кривую между внутренней поверхностью и наружной поверхностью. С другой стороны, в дополнение к этому измерению, осуществляют измерения посредством электромагнитных ультразвуковых преобразователей по меньшей мере в одном месте измерения на наружной поверхности с тем, чтобы определить временную зависимость напряжений и/или градиентов напряжения по толщине стенки тела с помощью измеренной температуры и определенной на ее основе температурной кривой. Отдельные сведения, необходимые для определения напряжений и/или градиентов напряжения, в данном случае получают из комбинации отдельных сведений, полученных в результате измерения температуры, с использованием результатов измерений, которые были получены с использованием электромагнитных ультразвуковых преобразователей. Напряжения и/или градиенты напряжения преимущественно определяют путем анализа времени прохождения ультразвука, амплитуды и/или измерений сопротивления вихревым токам вместе с результатами измерения температуры.

Преимущество использования электромагнитных ультразвуковых преобразователей состоит в том, что измерение трубопроводов можно, таким образом, также осуществлять в условиях эксплуатации, например, при температурах выше 200°С в случае напряжений, вызванных действием излучения, или в случае высоких рабочих давлений внутри тела. В частности, электромагнитные ультразвуковые преобразователи также предоставляют возможность определения быстрых изменений напряжения, например, тех изменений напряжения, которые вызваны внезапно возникающими изменениями температуры во внутренней части тела, путем быстрой регистрации результатов измерений.

В принципе, группы напряжений многоцикловой усталости (HCF) можно также определять и оценивать таким образом. Измерения времени прохождения ультразвука, измерения амплитуды и/или измерения сопротивления вихревым токам, осуществленные в данном случае, имеют то преимущество, что напряжения на внутренней поверхности тела, которые недоступны напрямую, можно таким образом также определять. В данном случае измерения времени прохождения ультразвука и амплитуды могут быть осуществлены в отдельном приемопередающем устройстве, или по эхо-импульсной технологии, или посредством комбинации обеих технологий. Кроме того, амплитуды при передаче и приеме можно также регистрировать, а значит, и использовать как дополнительную величину при анализе.

В настоящем способе путем дополнительного измерения с помощью электромагнитных ультразвуковых преобразователей, в частности при помощи осуществленных таким образом измерений времени прохождения ультразвука, амплитуды и/или сопротивления вихревым токам, закрыты пробелы в части быстрых изменений напряжения в существующих способах контроля трубопроводов, которые основаны исключительно на показаниях температуры. В сочетании с контролем температуры эти электромагнитные способы ультразвукового контроля расширяют информативное значение известных систем контроля усталости. Таким образом, можно также регистрировать высокочастотные функции зависимости напряжения от времени, относящиеся к усталости (серии зависимости напряжения от времени). Как следствие, можно сделать выводы о напряжениях, относящихся к усталости, а значит, и о температурной кривой усталостного состояния соответствующего тела или трубы. Измерения времени прохождения ультразвука, амплитуд и сопротивлений вихревым токам можно объединить в одну систему датчиков или в одну головку для испытаний путем использования электромагнитных ультразвуковых преобразователей.

Данный факт используют в предложенном способе, причем он состоит в том, что данные, полученные из результата измерения температуры, в частности температурная кривая и кривая напряжения по толщине стенки тела, которые получены из этого результата измерения температуры, можно использовать для определения напряжений или градиентов напряжения по толщине стенки тела, в частности в случае изменений высокочастотных (HF) напряжений, на основании результатов измерений ультразвука или результатов измерений вихревых токов. При современном уровне точности это было бы невозможно без использования дополнительных отдельных сведений, полученных в результате измерения температуры, поскольку влияние температуры на данные измерения ультразвука и сопротивления вихревым токам следует компенсировать для обеспечения точности.

В дальнейшем объяснение способа и вариантов осуществления будет дано на основании измерения или контроля трубопроводов. Однако эти объяснения можно переносить и на другие тела без каких-либо затруднений.

Для определения напряжений или градиентов напряжения преимущественно используют многослойную модель. Напряжения или градиенты напряжения по толщине стенки трубопровода устанавливают итерационно-числовым способом посредством данной многослойной модели. В данном случае эта модель откалибрована заранее при использовании результатов измерения температуры и отдельных сведений, полученных на основании этих результатов измерений, путем измерения заданных известных реальных напряжений с использованием всей измерительной системы, а также путем регистрации и архивирования полученных данных. Температурные кривые и кривые напряжения по толщине стенки трубопровода, которые постепенно приближенно вычисляют в виде постоянной в различных слоях, а также значения времени прохождения ультразвука, амплитуд и сопротивлений вихревым токам с поправкой на температуру специально используют с этой целью в качестве входных переменных модели.

Таким образом, многослойная модель обеспечивает в качестве выходных переменных обе присущие слою кривые напряжения, а также присущие слою значения времени прохождения ультразвука, амплитуд и сопротивлений вихревым токам, которые имеют поправку на температуру. Соответствующее напряжение выводят из измеренных значений времени прохождения ультразвука, амплитуд и сопротивлений вихревым токам в отдельных слоях с тем, чтобы обеспечить возможность быстро определить кривую напряжения в стенке трубопровода при применении. Для определения данного соотношения между напряжениями в слоях и присущими слою значениями времени прохождения ультразвука, амплитуд и сопротивлений вихревым токам необходима итерационная оптимизация многослойной модели. Для данной оптимизации можно использовать две различные процедуры.

Первая процедура основана на подходе распознавания структуры, который позволяет сделать выводы о напряжениях в отдельных слоях посредством проведения сравнений подобия. В данном случае относящиеся к слою кривые напряжения связаны с относящимися к слою переменными величинами времени прохождения ультразвука, амплитуды и сопротивления вихревым токам посредством алгоритмов, которые устанавливают соотношение между относящимися к слою данными и, таким образом, определяют перекрытие переменного интервала для испытаний относящихся к слою переменных. Данный многомерный переменный интервал для испытаний итеративно перекрывают на этапе оптимизации или во время калибровки и используют в дальнейшем для оценки результатов реальных измерений в части их сходства в пространственных измерениях.

Второй способ преимущественно представляет собой физический подход. Данный подход предполагает знание или определение акусто-упругих констант материала труб при различных рабочих температурах и электропроводностях и обеспечивает возможность определения на их основе напряженного состояния для каждого слоя путем итеративной адаптации модели путем расчета значений времени прохождения ультразвука с поправкой на температуру с использованием акусто-упругих констант, также имеющих поправку на температуру, и, также, при необходимости, дополнительно с использованием ультразвуковых амплитуд и сопротивлений вихревым токам.

Преимущество итерационной оптимизации многослойной модели, основанной на физических законах и на подходе распознавания структуры, заключается в более высокой скорости измерения и возможности немедленного получения отдельных сведений по всей толщине стенки трубы. Кроме того, итерационная оптимизация позволяет использовать данные измерений, предшествующие по времени (хронологию измерений), и данные измерений на момент анализа (значения ультразвука и вихревых токов, а также мгновенную температуру на наружной стенке) для повышения точности модели. В частности, путем использования данной многослойной модели также получают напряжения или градиенты напряжения на внутренней стенке трубы, которая соответствует лежащему глубоко внутри слою многослойной модели.

Для измерений с использованием электромагнитных ультразвуковых преобразователей возможно использование различных устройств и вариантов осуществления преобразователей. В принципе, в качестве электромагнитных ультразвуковых преобразователей можно использовать различные комбинации преобразователей, например комбинации, состоящие по меньшей мере из одной высокочастотной катушки и одного электромагнита или из одного или более постоянных магнитов, причем высокочастотную катушку можно использовать для передачи и/или для приема электромагнитно возбужденного ультразвука, а также для измерения сопротивления вихревым токам. Кроме того, например, можно также использовать комбинированные преобразователи, которые состоят по меньшей мере из двух высокочастотных (HF) катушек и одного электромагнита или из двух высокочастотных (HF) катушек и одного или более постоянных магнитов. В данном случае одну высокочастотную (HF) катушку используют для передачи и/или приема электромагнитно возбужденного ультразвука, а другую высокочастотную (HF) катушку используют в качестве отдельной катушки вихревого тока. Возбуждение вихревых токов можно осуществить с использованием того же импульса, что и создание ультразвуковой волны, или же с помощью отдельного генератора вихревых токов. Подходящие ультразвуковые преобразователи известны специалистам в данной области техники из предшествующего уровня техники.

Особенно предпочтительно, когда в каждом месте измерения используют по меньшей мере два электромагнитных ультразвуковых преобразователя, которые работают с различными направлениями поляризации в эхо-импульсном режиме. Высокочастотную (HF) катушку используют в данных преобразователях как в качестве передающей катушки, так и в качестве приемной катушки. Преобразователи сконструированы или выполнены таким образом, что они испускают поперечные волны, которые оказываются линейно-поляризовано перпендикулярны друг другу, перпендикулярно в трубу. Поперечная волна одного ультразвукового преобразователя преимущественно поляризована в осевом направлении трубы, а другая преимущественно поляризована в окружном направлении трубы. Таким образом, можно оптимально определять различные напряжения, возникающие в этих направлениях.

Кроме того, две пары дополнительных электромагнитных ультразвуковых преобразователей преимущественно используют в отдельном приемопередающем устройстве в соответствующем месте измерения. В этих парах один преобразователь используют в качестве передатчика, а другой преобразователь используют в качестве приемника. Данные преобразователи могут работать с двумя различными типами волн при передаче звука, как с поперечными волнами Рэлея, так и с горизонтально поляризованными поперечными волнами. Эти две пары дополнительных электромагнитных ультразвуковых преобразователей эксплуатируют для определения напряжения в стенке трубы посредством двух поляризаций, ориентированных под углом 90° друг к другу, преимущественно в осевом направлении и в окружном направлении трубы. С этой целью они расположены в виде креста.

Кроме того, существует возможность испускания различно поляризованных ультразвуковых волн в стенку трубы. Так, например, в случае меньших толщин стенок вместо волны Рэлея или горизонтально поляризованной волны, введенной скользящим способом, можно также использовать анодную волну (горизонтально поляризованную сдвиговую волну/анодную волну Лэмба). Для перпендикулярно падающего излучения можно также использовать радиально поляризованные волны.

Ультразвуковые преобразователи, которые в дальнейшем также называют головками для испытаний, преимущественно закрепляют как ленту по окружности трубы. Чем плотнее расположена данная конструкция из головок для испытаний на трубе вдоль окружности, тем выше боковое разрешение для определения напряжения по окружности трубы.

Для обеспечения дополнительных резервирований также можно одновременно использовать несколько лент для испытаний, имеющих комбинированные преобразователи. Дополнительное резервирование также обеспечивают путем изменения головки для испытаний или типов преобразователей для каждой ленты. Дополнительные отдельные сведения можно получить путем использования данных о различных типах головок для испытаний, различных типах волн и/или различных частотах измерений.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, который можно использовать в случае ферромагнитного материала трубопровода, используют комбинированные преобразователи, имеющие электромагниты, с помощью которых модулируют гистерезис для обеспечения возможности измерения проницаемости при наложении (анализ проницаемости в случае заданных рабочих мест или магнитных полей) и/или динамической магнитострикции (анализ амплитуды ультразвука в случае заданных рабочих мест или магнитных полей) в качестве дополнительной поверхностно-проксимальной переменной.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее будет еще раз приведено более подробное объяснение предлагаемого способа на основании примера осуществления изобретения вместе с чертежами.

На фиг. 1 показаны два примера конструкции из головок для ультразвуковых испытаний на месте измерения в соответствии с одним из вариантов осуществления предлагаемого способа.

На фиг. 2 показаны примеры распределения головок для испытаний или мест измерения по окружности трубы.

На фиг. 3 показано схематическое изображение определения напряжений или градиентов напряжения по многослойной модели трубопровода.

На фиг. 4 показан пример конструкции одной из головок для испытаний для создания линейно-поляризованной поперечной волны, которую вводят перпендикулярно.

На фиг. 5 показан еще один пример конструкции головки для испытаний для создания линейно-поляризованной поперечной волны, которую вводят перпендикулярно.

На фиг. 6 показан пример конструкции головки для испытаний для создания волны Рэлея.

На фиг. 7 показан пример конструкции головки для испытаний для создания горизонтально поляризованной поперечной волны.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В предложенном способе известный результат измерения температуры, предназначенный для контроля усталости в трубопроводе, объединяют с результатом измерения времени прохождения ультразвука, амплитуд и/или сопротивлений вихревым токам в стенке трубопровода, которое выполняют посредством электромагнитных ультразвуковых преобразователей. В данном случае места измерения на наружной стороне трубы выбирают по мере необходимости. На фиг. 1 показано схематическое изображение части трубы 1, на наружной стороне которой показана конструкция из головок для испытаний для осуществления измерений времени прохождения ультразвука, амплитуды и сопротивлений вихревым токам. На фиг. 1а и 1b для данного случая показаны две различные возможные конструкции в соответствующем месте измерения. Кроме того, на данном чертеже схематически показан датчик 2 температуры, используемый для одновременного измерения наружной поверхности в этом месте измерения. Данный датчик температуры, например, в виде термопар может быть выполнен за одно целое с головками для испытаний. Кроме того, в каждом месте измерения может быть также обеспечено несколько датчиков 2 температуры. Конечно же, измерение температуры можно также выполнить непосредственно до осуществления измерения при помощи головок для ультразвуковых испытаний или после этого.

Из фиг. 1 очевидно, что для измерений ультразвука и/или вихревых токов можно использовать различные ультразвуковые преобразователи или головки для испытаний. В данном случае они представляют собой отдельные приемопередающие устройства, имеющие отдельные передающие и приемные преобразователи 3а, 3b, 4а, 4b и выполненные за одно целое приемопередающие устройства 5, 6, которые работают в эхо-импульсном режиме. При использовании отдельных передающих и приемных преобразователей 3а, 3b или 4а, 4b в осевом направлении стенки трубы могут быть созданы волны Рэлея или горизонтально поляризованные поперечные волны. Эти головки для испытаний работают в режиме передачи звука, причем обеспечена возможность испускания ультразвуковых волн от передатчика 3а, 4а и возможность их очередного приема соответствующим ультразвуковым преобразователем 3b, 4b после распространения в стенке трубы в осевом направлении трубы. Для определения напряжения в стенке трубы в данном случае или в каждом случае для этой цели следует использовать две пары из передающих преобразователей 3а, 4а и приемных преобразователей 3b, 4b, имеющих поляризации, ориентированные под углом 90° друг к другу, то есть вдоль оси трубы и в окружном направлении трубы. Для этой цели две пары головок для испытаний расположены в виде креста, как видно на фиг. 1а и 1b. Два дополнительных ультразвуковых преобразователя 5, 6 представляют собой выполненные за одно целое передающий и приемный преобразователи, которые испускают линейно-поляризованные поперечные волны, имеющие различные направления поляризации (перпендикулярные друг другу), перпендикулярно в трубу. В этих преобразователях высокочастотную (HF) катушку используют как для передачи ультразвуковых сигналов, так и для приема ультразвуковых сигналов, отраженных на внутренней стенке трубы. После того как преобразователь 5 создает поперечные волны, которые в данном случае линейно поляризованы в окружном направлении трубы, другой преобразователь 6 создает поперечные волны, которые линейно поляризованы в осевом направлении трубы. Измерение сопротивления вихревым токам может быть осуществлено известным способом с помощью встроенных высокочастотных (HF) катушек. Конечно, можно также использовать комбинированные преобразователи, в которых обеспечена дополнительная высокочастотная (HF) катушка для измерения сопротивления вихревым токам.

На фиг. 1а и 1b показаны различные ориентации или схемы расположения используемых головок для испытаний в том виде, в котором они могут быть использованы в настоящем способе. На фиг. 1с вновь показан пример разреза, выполненного по трубе, имеющей соответствующие прикрепленные головки для испытаний. Головки для испытаний преимущественно используют как ленту в различных местах измерения на наружной стенке трубы, как схематично показано стрелкой на фиг. 1с.

На фиг. 2 показаны возможные распределения положений мест измерения или положений конструкций 7 из головок для испытаний, показанных для этой цели на фиг. 1 по окружности трубы 1. Чем плотнее размещены крестовидные конструкции 7 из головок для испытаний по окружности трубы, тем выше боковое разрешение по окружности трубы. На фиг. 2 показано четыре различных распределения конструкций 7 из головок для испытаний или мест измерения на трубе 1 на примере левого частичного изображения для этой цели, причем эти распределения идентифицированы как а) - d). Более высокая плотность мест измерения или конструкций 7 из головок для испытаний приводит к более высокому разрешению. На правой части этого чертежа подобное расположение показано еще раз на разрезе, выполненном по трубе 1. В данном случае также существует возможность покрытия головками для испытаний только половины или также только одной четвертой части трубы в том случае, если существует симметричное напряжение трубы. В случае асимметричного напряжения головки для испытаний следует распределить по всей окружности трубы, как показано на фиг. 2. Если следует ожидать, что на трубопроводе вдоль оси трубы будут появляться неоднородные напряжения, то эти неоднородные напряжения, таким образом, также определяют путем использования нескольких лент из головок для испытаний вдоль оси трубы.

Крестовидная конструкция из головок для испытаний, показанная на фиг. 1, может быть также, при необходимости, упрощена путем исключения отдельных приемопередающих устройств, имеющих головки 3а, 3b, 4а и 4b для испытаний. Однако в этом случае невозможно получить какие-либо отдельные сведения о местных напряжениях вдоль оси трубы. Конечно, возможно, однако, определить относительные изменения напряжения по толщине стенки трубы.

На фиг. 3 приведено схематическое изображение процедуры во время определения напряжений или градиентов напряжения на внутренней стороне трубы на основе многослойной модели. В данной схематически изображенной многослойной модели 9 стенка трубы, как показано на данном чертеже, разделена на различные слои. Измеренные сопротивления вихревым токам, измеренные значения времени прохождения ультразвука, амплитуды, температурную кривую, определенную на основе результата измерения температуры, и кривую напряжения, определенную на основе результата измерения температуры, используют в качестве входных переменных 8 модели. Затем многослойная модель 9 передает связанные со слоями сопротивления вихревым токам, связанные со слоями значения времени прохождения ультразвука, амплитуды и связанную со слоями кривую напряжения в качестве выходных переменных 10 модели, причем кривая напряжения на лежащем глубоко внутри слое многослойной модели соответствует напряжениям или градиентам напряжения на внутренней стороне трубы.

На фиг. 4-7 показаны примеры ультразвуковых преобразователей или головок для испытаний, которые можно использовать в предлагаемом способе. На чертежах показано, что для измерения времени прохождения ультразвука и амплитуды, а также для измерения сопротивлений вихревым токам можно использовать различные типы преобразователей. На фиг. 4 показан пример конструкции ультразвукового преобразователя, который создает линейно-поляризованные поперечные волны, которые вводят перпендикулярно. Преобразователь имеет магнит 11, расположенный над высокочастотной катушкой 12. Магнит может представлять собой как постоянный магнит, как показано на чертеже, а может также представлять собой электромагнит. Как показано на чертеже, статическое магнитное поле В₀ создают в стенке трубы при помощи магнита. Посредством напряжения переменного тока (АС) в высокочастотной (HF) катушке 12, которую можно заметить на показанном виде в разрезе, в стенке трубы возбуждают ультразвуковую волну, направление колебаний или поляризация 14 и направление 15 распространения которой также показаны на данном чертеже. Как показано на правой части данного чертежа, для усиления статического магнитного поля можно также использовать дополнительный концентратор 13 между высокочастотной (HF) катушкой 12 и магнитом 11.

На фиг. 5 показан альтернативный вариант осуществления изобретения подобного ультразвукового преобразователя для ввода линейно-поляризованной поперечной волны в перпендикулярном направлении. В данном примере используют два магнита 11, расположенные над высокочастотной катушкой 12.

На фиг. 6 показан пример конструкции электромагнитного ультразвукового преобразователя, посредством которого создают волны Рэлея. В данном преобразователе используют изгибающуюся высокочастотную катушку 11, которая показана на правой части чертежа на виде сверху. На данном чертеже также показано направление 15 распространения ультразвуковой волны и направление 14 колебаний ультразвуковой волны.

На фиг. 7 показан пример ультразвукового преобразователя для создания горизонтально поляризованной поперечной волны. Как показано на данном чертеже, в данном ультразвуковом преобразователе постоянные магниты 11, имеющие переменную поляризацию, используют в периодическом расположении. Затем ультразвуковую волну создают с помощью расположенной снизу высокочастотной (HF) катушки 12, направление 15 распространения которой вдоль поверхности трубы вновь схематически показано на данном чертеже.

Преобразователи по фиг. 4-7 известны из уровня техники, поэтому их конструкция и функциональные возможности не будут подробно рассмотрены в данном документе.

Измерение сопротивления вихревым токам можно осуществить на различных частотах и соответственно на различных глубинах проникновения в трубопровод с использованием каждого одного отдельного преобразователя из показанных ультразвуковых преобразователей. В данном случае измерение сопротивления вихревым токам можно осуществить с помощью высокочастотной (HF) катушки преобразователя, которую также используют для создания ультразвука. Тем не менее, конечно, на преобразователе можно также разместить отдельную высокочастотную (HF) катушку для осуществления подобного измерения вихревого тока.

Перечень ссылочных номеров

1 трубопровод

2 датчик температуры

3а ультразвуковой преобразователь (передатчик)

3b ультразвуковой преобразователь (приемник)

4а ультразвуковой преобразователь (передатчик)

4b ультразвуковой преобразователь (приемник)

5 ультразвуковой преобразователь (передатчик/приемник)

6 ультразвуковой преобразователь (передатчик/приемник)

7 конструкция из головок для испытаний

8 входные переменные модели

9 многослойная модель

10 выходные переменные модели

11 магнит

12 высокочастотная (HF) катушка

13 концентратор

14 направление колебаний/поляризация

15 направление распространения ультразвуковой волны

Использование: для определения изменяющихся во времени термомеханических напряжений и/или градиентов напряжения по толщине стенок металлических тел, в частности трубопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что измеряют температуру на наружной поверхности тела для определения на ее основании температурной последовательности и последовательности напряжений. Кроме того, электромагнитные ультразвуковые преобразователи используют по меньшей мере в одном месте измерения на наружной поверхности для определения изменения напряжений и/или градиентов напряжения с течением времени по толщине стенок тела вместе с результатом измерения температуры. Технический результат: обеспечение возможности контроля усталости трубопроводов в случае быстрых изменений напряжения. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ определения изменяющихся во времени термомеханических напряжений и/или градиентов напряжения по толщине стенок металлических тел (1), в частности трубопроводов, причем согласно указанному способу измеряют температуру по меньшей мере в одном месте измерения на наружной поверхности тела (1) и осуществляют дополнительные измерения с использованием электромагнитных ультразвуковых преобразователей (3-6) в области указанного места измерения для определения напряжений и/или градиентов напряжения по толщине стенки тела (1) посредством измеренной температуры на основании результатов дополнительных измерений,

при этом на основании измеренной температуры устанавливают температурную кривую между внутренней поверхностью и наружной поверхностью и используют ее для определения напряжений и/или градиентов напряжения по толщине стенки тела (1) на основании результатов дополнительных измерений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерения времени прохождения ультразвука, амплитуды и/или сопротивления вихревым токам осуществляют с использованием электромагнитных ультразвуковых преобразователей (3-6), причем напряжения и/или градиенты напряжения определяют путем анализа результатов измерений времени прохождения ультразвука, амплитуды и/или сопротивления вихревым токам в сочетании с измеренной температурой или определенной температурной кривой.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что определение напряжений и/или градиентов напряжения выполняют на основе многослойной модели (9) стенки тела (1), которая использует определенную температурную кривую и полученную на ее основе кривую напряжения, а также использует в качестве входных переменных (8) измеренные значения, с поправкой на температуру, времени прохождения ультразвука, амплитуд и сопротивлений вихревым токам и выдает связанные со слоями значения времени прохождения ультразвука, амплитуды, сопротивления вихревым токам и кривые напряжения в качестве выходных переменных (10), причем связанные со слоями кривые напряжения определяют путем итерационной оптимизации многослойной модели на основе связанных со слоями значений времени прохождения ультразвука, амплитуд и сопротивлений вихревым токам.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что две линейно-поляризованные поперечные волны, которые перпендикулярны друг другу, испускают перпендикулярно в стенку тела (1) в каждом случае с использованием электромагнитных ультразвуковых преобразователей (5, 6) для измерения значений времени прохождения ультразвука и амплитуд в эхо-импульсном режиме.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что во время измерения на трубе, представляющей собой тело (1), одна из поперечных волн оказывается линейно поляризована в осевом направлении трубы, а другая поперечная волна оказывается линейно поляризована в окружном направлении трубы.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в отдельном приемопередающем устройстве дополнительно использованы две пары электромагнитных ультразвуковых преобразователей (3-4), которые создают волны Рэлея или горизонтально поляризованные поперечные волны, причем эти две пары расположены в месте измерения под углом 90° по отношению друг к другу.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электромагнитные ультразвуковые преобразователи (3-6) используют в нескольких местах измерения, распределенных по наружной поверхности.