УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБЫ
DEVICE FOR MAGNETIC INSPECTION OF THE INTERNAL SURFACE OF THE PIPE

Изобретение относится к неразрушающему контролю, а именно к устройствам для внутритрубной диагностики уровня остаточных технологических напряжений в поверхностных слоях профильных канавок с продольным или спиральным направлением. Применение изобретения будет эффективно для высоконагруженных ответственных изделий машиностроения, энергомашиностроения, авиастроения и других отраслей.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству по совокупности признаков является устройство для магнитного контроля профиля внутренней поверхности трубопровода [патент РФ, №2393466, МПК G01N 27/82, опубл. 27.06.2010]. Известное устройство содержит цилиндрический корпус, на его торцевых гранях установлена опорно-двигательная система, она обеспечивает центровку и продвижение устройства в трубопроводе. В состав устройства входит также двухпоясная намагничивающая система из постоянных магнитов, закрепленных на корпусе. Между намагничивающими поясами расположена система измерения потенциалов магнитного поля между корпусом устройства и внутренней стенкой трубопровода. Приемные контакты системы прижаты с помощью упругих элементов к внутренней поверхности трубопровода.
Внутри корпуса расположены блок питания, бортовой компьютер и аналого-цифровой преобразователь данных измерения магнитного параметра. Продвижение устройства в трубопроводе осуществляется аэродинамической силой, создаваемой транспортирующим продуктом, действующим на мембраны, прикрепленные к корпусу, в процессе движения фиксируют изменения магнитного поля, которые вызваны дефектами на внутренней поверхности трубопровода. По результатам измерения выявляют поверхностные дефекты типа локальных выемок, эллипсности, вмятин, вспучиваний и полостей. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого устройства, - корпус, размещенный на нем узел центровки устройства относительно оси трубы, намагничивающую и измерительную системы, контактирующие с внутренней поверхностью трубы, и электронный блок обработки информации и регистрации результатов, соединенные кабелем, упругие элементы.
Недостатки известного устройства, принятого в качестве прототипа, заключаются в следующем:
- сложная намагничивающая система;
- возможности внутритрубной диагностики дефектов ограничены только одним значением диаметра отверстия трубы и его гладкой поверхностью.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - расширение технологических возможностей устройства, позволяющих контролировать уровень остаточных технологических напряжений в профильных канавках на внутренней поверхности труб разных диаметров с разным количеством канавок с продольным и спиральным направлением.
Данная задача является актуальной для высоконагруженных ответственных изделий.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном устройстве, содержащем корпус, размещенный на нем узел центровки устройства относительно оси трубы, намагничивающую и измерительную системы, контактирующие с внутренней поверхностью трубы, и электронный блок обработки информации и регистрации результатов, соединенные кабелем, упругие элементы, согласно изобретению корпус состоит из двух частей: головной и хвостовой, расположенных на одной оси и соединенных резьбой, головная часть корпуса выполнена в виде трубки, на ней размещен узел центровки с возможностью регулировки под разные диаметры отверстий труб, состоящий из трех или четырех одинаковых шарнирно-рычажных сборок, равномерно распределенных по окружности, в состав каждой сборки входят: рычаг, серьга, опорный ролик с осью вращения и два кронштейна, на левом кронштейне шарнирно прикреплен рычаг, на конце рычага на оси установлен опорный ролик с профилем, аналогичным профилю канавок, на правом кронштейне шарнирно закреплена серьга, свободный конец серьги шарнирно соединен с рычагом, при этом левые кронштейны всех сборок закреплены винтами на левом конце трубки корпуса, а правые кронштейны закреплены винтами на втулке, надетой на среднюю часть трубки корпуса, справа от втулки установлены последовательно прижимная пружина и резьбовая втулка с накаткой, причем втулка установлена с возможностью перемещения по трубке корпуса за счет вращения резьбовой втулки, обеспечивая при этом радиальную раздвижку опорных роликов; хвостовая часть корпуса состоит из двух соосно-расположенных втулок с внутренней резьбой и скрепленного с ними футляра; причем при продольном направлении профильных канавок на трубе торцы втулок, сопряженные с футляром, перпендикулярны к их оси, а при спиральном направлении канавок торцы втулок скошены на угол α, равный углу спирали профильной канавки, в футляре установлен датчик магнитных шумов Баркгаузена, объединяющий намагничивающую и измерительную системы, опирающийся на пружину, расположенную на дне футляра, причем на дне футляра выполнено отверстие, а на внешней стороне дна установлен ролик с кольцевой канавкой, верхняя часть датчика имеет рабочий наконечник с намагничивающими и приемными контактами, профиль наконечника аналогичен профилю канавок, датчик соединен кабелем с электронным блоком, на втулках хвостовой части корпуса размещен узел ориентации рабочего наконечника датчика относительно контролируемой канавки, состоящий из двух выгнутых пластин, собранных в пакет и образующих в средней части окно, через которое проходит верхняя часть датчика, на концах пластин расположены на осях ролики с профилем, аналогичным профилю канавок, пластины прикреплены к опорным пружинам, установленным на втулках корпуса, к правой втулке хвостовой части на резьбу прикреплена штанга, по ее длине нанесена координатная шкала, на левом конце штанги в отверстии в ее стенке закреплена изогнутая трубочка, на свободном конце штанги размещен шарнирный двухплечевой рычаг, перед малым плечом рычага выполнена продольная прорезь и установлен на оси ролик с кольцевой канавкой, механическая связь датчика с рычагом выполнена с помощью гибкого тросика, который одним концом прикреплен к нижней части датчика и выведен через отверстие на ролик, пропущен через изогнутую трубочку внутрь штанги, протянут в ней к правому концу, выведен через прорезь на ролик и закреплен к концу малого плеча рычага, обеспечивая возможность при нажатии на рычаг радиального перемещения датчика.
Кроме того, устройство снабжено вспомогательной опорой с ложементом, обеспечивающей длинной штанге положение по оси контролируемой трубы, а также набором двух типов опорных пружин разной длины, предназначенных для использования при контроле труб с разными диаметрами отверстий.
Отличительные признаки заявляемого устройства от прототипа: корпус состоит из двух частей: головной и хвостовой, расположенных на одной оси и соединенных резьбой; головная часть корпуса выполнена в виде трубки; на ней размещен узел центровки с возможностью регулировки под разные диаметры отверстий труб, состоящий из трех или четырех одинаковых шарнирно-рычажных сборок, равномерно распределенных по окружности; в состав каждой сборки входят: рычаг, серьга, опорный ролик с осью вращения и два кронштейна; на левом кронштейне шарнирно прикреплен рычаг; на конце рычага на оси установлен опорный ролик с профилем, аналогичным профилю канавок; на правом кронштейне шарнирно закреплена серьга, свободный конец серьги шарнирно соединен с рычагом; левые кронштейны всех сборок закреплены винтами на левом конце трубки корпуса; правые кронштейны всех сборок закреплены винтами на втулке, надетой на среднюю часть трубки корпуса; справа от втулки установлены последовательно прижимная пружина и резьбовая втулка с накаткой, причем втулка установлена с возможностью перемещения по трубке корпуса за счет вращения резьбовой втулки, обеспечивая при этом радиальную раздвижку опорных роликов; хвостовая часть корпуса состоит из двух соосно-расположенных втулок с внутренней резьбой и скрепленного с ними футляра; при продольном направлении профильных канавок на трубе торцы втулок, сопряженные с футляром, перпендикулярны к их оси; при спиральном направлении канавок торцы втулок скошены на угол α, равный углу спирали профильной канавки; в футляре установлен датчик магнитных шумов Баркгаузена, объединяющий намагничивающую и измерительную системы, опирающийся на пружину, расположенную на дне футляра; на дне футляра выполнено отверстие; на внешней стороне дна футляра установлен ролик с кольцевой канавкой; верхняя часть датчика имеет рабочий наконечник с намагничивающими и приемными контактами, профиль наконечника аналогичен профилю канавок; датчик соединен кабелем с электронным блоком; на втулках хвостовой части корпуса размещен узел ориентации рабочего наконечника датчика относительно контролируемой канавки, состоящий из двух выгнутых пластин, собранных в пакет и образующих в средней части окно, через которое проходит верхняя часть датчика, на концах пластин расположены на осях ролики с профилем, аналогичным профилю канавок, пластины прикреплены к опорным пружинам, установленным на втулках корпуса; к правой втулке хвостовой части на резьбу прикреплена штанга, по ее длине нанесена координатная шкала, на левом конце штанги в отверстии в ее стенке закреплена изогнутая трубочка; на свободном конце штанги размещен шарнирный двухплечевой рычаг; перед малым плечом рычага выполнена продольная прорезь и установлен на оси ролик с кольцевой канавкой; механическая связь датчика с рычагом выполнена с помощью гибкого тросика, который одним концом прикреплен к нижней части датчика и выведен через отверстие на ролик, пропущен через изогнутую трубочку внутрь штанги, протянут в ней к правому концу, выведен через прорезь на ролик и закреплен к концу малого плеча рычага, обеспечивая возможность при нажатии на рычаг радиального перемещения датчика; вспомогательная опора с ложементом, обеспечивающая длинной штанге положение по оси контролируемой трубы; набор двух типов опорных пружин разной длины, предназначенных для использования при контроле труб с разными диаметрами отверстий.
Заявляемое устройство может быть исполнено в двух вариантах:
- вариант 1, устройство с узлом центровки, выполненным с тремя шарнирно-рычажными сборками (для контроля труб с числом канавок, кратным трем);
- вариант 2, устройство с узлом центровки, выполненным с четырьмя шарнирно-рычажными сборками (для контроля труб с числом канавок, кратным четырем).
В описании далее взят для примера вариант 2 - устройство с узлом центровки, имеющим четыре шарнирно-рычажные сборки.
Изобретение поясняется чертежами, приведенными на фиг. 1-8.
На фиг. 1 приведена схема узла центровки, вид спереди.
На фиг. 2 приведена схема узла центровки, вид слева.
На фиг. 3 изображен узел с датчиком магнитных шумов Баркгаузена, вид спереди.
На фиг. 4 изображен узел с датчиком магнитных шумов Баркгаузена, общий вид.
На фиг. 5 показана штанга с элементами координирования датчика, вид сбоку.
На фиг. 6 приведен общий вид устройств для контроля трубы с продольными канавками, вид спереди.
На фиг. 7 приведен общий вид устройства для контроля трубы с продольными канавками, вид сверху.
На фиг. 8 приведен общий вид устройства для контроля трубы со спиральными канавками, вид сверху.
Устройство для магнитного контроля внутренней поверхности трубы с профильными канавками имеет корпус, состоящий из двух частей, головной (фиг. 1, 2) и хвостовой (фиг. 3, 4), расположенных на одной оси и соединенных резьбой. Головная часть корпуса выполнена в виде трубки 1. На ней размещен узел центровки устройства при его продвижении в контролируемой трубе с возможностью регулировки под разные диаметры отверстий труб.
На левом конце корпусной трубки 1 закреплены винтами четыре кронштейна 2, равномерно распределенных по окружности. На каждом левом кронштейне 2 прикреплен шарнирно рычаг 3, на его конце расположен на оси вращения опорный ролик 4 с профилем, аналогичным профилю канавки контролируемой трубы. Левый кронштейн неподвижный, установлен с возможностью съема.
На среднюю часть трубки 1 корпуса (фиг. 1) надета втулка 5, имеющая возможность осевого перемещения, на ней закреплены винтами четыре кронштейна 6, равномерно распределенных по окружности. К каждому правому кронштейну 6 шарнирно прикреплена серьга 7, которая другим концом шарнирно соединена с рычагом 3. Совокупность четырех сборок из элементов 2…7 образует шарнирно-рычажную систему, представляющую собой узел центровки (фиг. 2). Справа от надетой втулки 5 расположена резьбовая втулка 8 с накаткой, между втулками 5 и 8 надета на трубку 1 корпуса прижимная пружина 9. На правом конце трубки 1 выполнена наружная резьба 10 для соединения с хвостовой частью корпуса. Хвостовая часть корпуса (фиг. 3) выполнена из двух соосно расположенных втулок 11, 12 и скрепленного с ними футляра 13, втулки 11, 12 имеют внутреннюю резьбу для соединения с другими элементами устройства.
При продольном направлении профильных канавок на трубе торцы втулок 11, 12, сопряженные с футляром 13, перпендикулярны к их оси (фиг. 3), а при спиральном направлении канавок торцы втулок 11, 12 скошены на угол α, равный углу спирали профильной канавки трубы (фиг. 8). В футляре 13 (фиг. 3. 4) размещен датчик 14 магнитных шумов Баркгаузена, в его верхней части имеется рабочий наконечник 15 с намагничивающими и приемными контактами, профиль наконечника 15 соответствует профилю канавок контролируемой трубы. В корпусе датчика 14 компактно размещены намагничивающая и измерительная системы. На боковой стенке футляра 13 имеется окно 16 для доступа к разъему датчика 14 при подключении соединительного кабеля. На дне футляра 13 расположена пружина 17, являющаяся опорой для датчика 14 и упругим элементом для прижатия рабочего наконечника 15 к дну канавки контролируемой трубы. Также на дне футляра выполнено отверстие 18, а на внешней стороне дна установлен ролик 19 с кольцевой канавкой.
На втулках 11, 12 размещен узел ориентации датчика 14 относительно контролируемой канавки, он состоит из двух опорных пружин 20, надетых на стержни 21, двух выгнутых пластин 22 (фиг. 4), скрепленных между собой и с пружинами 20, и образующих окно для свободного продвижения датчика 14. На концах пластин 22 расположены на осях вращения ролики 23, их профиль аналогичен профилю контролируемых канавок.
К правой втулке 12 хвостовой части на резьбу прикреплена штанга 24 (фиг. 6), по ее длине нанесена координатная шкала, которая используется при проведении измерений. На левом конце штанги 24 в отверстии в ее стенке закреплена изогнутая трубочка 25 (фиг. 5), на свободном конце штанги 24 размещен шарнирный двухплечевой рычаг 26, перед малым плечом рычага 26 выполнена продольная прорезь и установлен на оси ролик 27 с кольцевой канавкой.
Механическая связь датчика 14 с рычагом 26 выполнена с помощью гибкого тросика 28 (фиг. 8), который одним концом прикреплен к нижней части датчика 14 и выведен через отверстие 18 (фиг. 3) на ролик 19, пропущен через изогнутую трубочку 25 внутрь штанги 24, протянут в ней к правому концу, выведен через прорезь на ролик 27 и закреплен к концу малого плеча рычага 26, обеспечивая возможность при нажатии на большое плечо рычага 26 радиального перемещения датчика 14.
В состав устройства также входят вспомогательная опора с ложементом для удерживания длинной штанги по оси контролируемой трубы, электронный блок и соединительный кабель (на чертежах они не показаны). Электронный блок и датчик 14, соединенные кабелем, образуют систему с названием «Цифровой анализатор шумов Баркгаузена» (Stresstech Оу, Finland). Устройство снабжено набором двух типов опорных пружин 17, 20 (фиг. 3) разной длины, предназначенных для использования при контроле труб с разными диаметрами отверстий.
Устройство работает следующим образом.
Вначале следует подготовительный этап, связанный с конкретными геометрическими параметрами контролируемой трубы: диаметром отверстия и количеством канавок и их направлением (продольным или спиральным). При продольных канавках используют вариант устройства, показанный на фиг. 6, 7, при спиральных канавках - вариант на фиг. 8.
При числе канавок, кратном трем, на узле центровки должно быть три шарнирно-рычажные сборки, при кратности числа канавок четырем - четыре шарнирно-рычажные сборки (фиг. 2). На хвостовой части в зависимости от диаметра отверстия контролируемой трубы ставят соответствующие опорные пружины 17, 20 двух типов. В контролируемую трубу, вручную за штангу 24, вводят головную часть устройства с узлом центровки, вдвигая его до роликов 4, при этом штанга 24 дополнительно опирается на ложемент вспомогательной опоры и ось штанги 24 совпадает с осью трубы. Затем устройство поворачивают до положения, в котором ролики 4 станут точно против канавок, и двигают дальше, заводя ролики 4 в канавки контролируемой трубы. Далее вращают по часовой стрелке резьбовую втулку 8, которая через пружину 9 передает движение надетой втулке 5, она смещается влево, при этом через шарнирно-рычажную систему узла центровки четыре ролика 4 раздвигаются в радиальном направлении и плотно прилегают к дну канавок, усилие прижатия обеспечивается пружиной 9. Сцентрировав таким образом головную часть, продвигают устройство дальше до положения, при котором левый ролик 23 хвостовой части будет расположен у торца контролируемой трубы. Затем поворотом хвостовой части по резьбе втулки 11 располагают левый ролик 23 напротив канавки №1 и вводят его в эту канавку, далее вводят в эту же канавку рабочий наконечник 15 датчика 14 и правый ролик 23. Опорная пружина 17 под датчиком 14 обеспечивает мягкий контакт наконечника 15 с дном контролируемой канавки, а пара пружин 20 обеспечивает плотный контакт роликов 23 с контролируемой канавкой. В результате этих действий устройство приведено в начальное положение, далее приступают непосредственно к измерению магнитного параметра в материале трубы в зоне канавки №1.
Устройство продвигается вручную штангой 24, замеры делают через 50…100 мм, используя координатную шкалу на штанге 24 и рычаг 26. Движение устройства от одной координаты до другой осуществляется при нажатом рычаге 26 и отжатом наконечнике 15 от дна канавки, замер делают при свободном рычаге 26 и мягком контакте наконечника 15 с дном канавки. Такой режим замеров исключает при движении устройства контакт и трение между наконечником и канавкой, тем самым не допуская износ наконечника, имеющего в своем составе полимерный компонент. Если контролируемые профильные канавки имеют специальное покрытие, то для того, чтобы не допустить его повреждения при движении роликов 4 и 23, целесообразно применить в качестве материала для профильной части этих роликов полиуретан.
В режиме замеров работа системы «Цифрового анализатора шумов Баркгаузена» осуществляется следующим образом. Переменное магнитное поле определенной частоты, создаваемое датчиком 14, через намагничивающие контакты наконечника 15 передается в поверхностные слои ферромагнитного материала контролируемой канавки и вызывает в нем магнитные шумы Баркгаузена. Чувствительные контакты наконечника 15 принимают эти магнитные шумы и датчик 14 преобразует их в электрический сигнал. Через соединительный кабель информация, полученная с каждой координатной точки замера, передается в электронный блок, где обрабатывается и формируется в виде магнитного параметра, выраженного в относительных единицах.
По окончании замеров на канавке №1 рабочий наконечник 15 датчика 14 выводится из канавки путем нажатия на рычаг 26 штанги 24 и удерживается в этом положении при обратном движении устройства к входному торцу трубы. Из контролируемой трубы выводится только хвостовая часть, головная часть остается в ней, ее ролики 4 при этом остаются в тех же канавках. Далее следует переход к канавке №2: поворотом хвостовой части по резьбе втулки 11 устанавливают левый ролик 23 напротив канавки №2 и продвигают устройство, вводя поочередно левый ролик 23, рабочий наконечник 15 и правый ролик 23 в канавку №2. Далее приступают к измерению магнитного параметра в материале канавки №2, действуя по схеме работы на канавке №1. Аналогичная работа устройства осуществляется на последующих канавках, при этом ролики 4 двигаются по одним и тем же канавкам, что сокращает время перехода от одной канавки к другой.
Относительная величина полученных магнитоупругих параметров прямопропорциональна остаточному напряжению в материале. Коэффициент пропорциональности (корреляционный коэффициент) определяется по известной методике калибровки с помощью образцов - свидетелей с аналогичной канавкой. Сначала на образцах неразрушающим методом шумов Баркгаузена определяют магнитоупругий параметр, а затем на этих же образцах разрушающим классическим методом Давиденкова Н.Н. определяют абсолютные значения остаточных напряжений. Сопоставляя полученные значения относительных и абсолютных параметров, вычисляют корреляционный коэффициент, который в дальнейшем используют при пересчете относительных единиц магнитоупругого параметра, полученного с помощью заявляемого устройства, на абсолютные значения остаточных технологических напряжений в материале контролируемых канавок.
Таким образом, заявляемое устройство с использованием метода магнитных шумов Баркгаузена позволяет контролировать уровень остаточных технологических напряжений в профильных канавках на внутренней поверхности труб разных диаметров с разным количеством канавок с продольным и спиральным направлением, что значительно расширяет технологические возможности устройства.