АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО РАЗМАГНИЧИВАНИЯ И КОМПЕНСАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТРУБОПРОВОДА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам для размагничивания и компенсации магнитных полей крупногабаритных трубопроводов из магнитных материалов при подготовке и в процессе проведения электродуговой сварки, в частности, при монтажных и ремонтных работах.
При намагниченности объектов, подготовленных к сварке, сварочные процессы с использованием электрической дуги при постоянном токе становятся нестабильными, и возрастает вероятность возникновения дефектов в сварном соединении. В абсолютном большинстве применяемых в настоящее время методов снятия намагниченности трубопроводов используется многожильный кабель, намотанный на участок трубопровода, и пропускание через пего либо постоянного (при компенсации), либо знакопеременного импульсного тока с убывающей до нуля амплитудой (при размагничивании). Использование кабеля в резиновой изоляции вблизи электросварочного процесса может негативно отразиться па состоянии изоляции кабеля. Увеличение расстояния витков наматываемого кабеля от свариваемого шва уменьшает величину генерируемого магнитного поля на самом шве. Другим негативным фактором является необходимость использовать значительные токи, пропускаемые через обмотку для генерации магнитного поля (противоноля) необходимой величины. Следующим общим недостатком является одноканальность используемых приборов, то есть возможность работы только на один свариваемый шов.
Например, в [1] используются компенсирующие модули, состоящие из 3-6 витков многожильного кабеля. Для полной компенсации возможной намагниченности в 300 мТл, необходимая величина тока может достигать более 500 А. Это значение тока необходимо поддерживать, по крайней мере, до завершения проварки корневого шва.
Режим одноканального размагничивания знакопеременным импульсным полем опубликован в работе [2]. Использование малого числа витков кабеля КГ5*10, потребовало применения начальных токов размагничивания величиной до 500 А. К сожалению, время, затрачиваемое на размагничивание одного шва, в работе не указано.
Известно двухканальное устройство, снижающее индукцию магнитного поля одновременно в зазорах двух свариваемых швов труб до уровня ниже 2 мТл при начальных значениях ее порядка 200 мТл при достижимых в полевых условиях величинах потребляемого тока и сокращении трудозатрат на подготовку к сварке намагниченных крупногабаритных трубопроводов [3]. Данное устройство для компенсации магнитного поля трубопровода
состоит из размагничивающих модулей, накладываемых на трубу, датчиков магнитного поля, и электронного блока управления. Питание устройства осуществляется постоянным током от сварочного выпрямителя. Размагничивающие модули выполнены в виде полых разъемных немагнитных металлических колец, содержащих многовитковые катушки, соединяемые с помощью многоконтактных разъемов. Компенсирующие модули, располагаемые вблизи свариваемого шва, снабжены шарнирно укрепленными на них датчиками величины и направления магнитного поля в зоне свариваемого шва. При работе устройства размагничивающие модули накладывают по обе стороны от свариваемою шва, а ток компенсации в размагничивающий модуль подается через электронный блок управления, включенный в систему обратной связи с датчиками магнитного поля.
Недостатки данного устройства обусловлены следующими обстоятельствами:
1) необходимостью работы с жестко заданным диаметром труб с использованием подъемных механизмов или кранов на автомобильных платформах для установки компенсирующего модуля на свариваемый участок трубы,
2) устройство компенсации магнитного поля должно быть постоянно включенным в процессе сварки и должно реагировать на внезапные изменения величины магнитного поля,
3) датчик магнитного поля, жестко связанный с корпусом размагничивающего модуля. диктует необходимость жесткой фиксации положения размагничивающего модуля в близи свариваемого шва, что часто негативно сказывается на удобстве работы сварщика. При удалении размагничивающего модуля и датчика магнитного поля от свариваемого шва в электронном блоке управления отсутствует информация о возможных изменениях магнитного поля для необходимой корректировки процесса компенсации.
Данная модель размагничивающего устройства [3] использована нами в качестве прототипа.
Целью создания новой модели двухканального автоматизированного размагничивающего устройства являлось введение режима автоматического однополярного импульсного размагничивания, что дает уменьшение времени на снятие намагниченности трубопровода, экономию электрической энергии, а также расширение возможности применения устройства для труб различного диаметра.
Новизна конструктивных решений предлагаемой модели и их отличие от прототипа состоят в следующем.
1) Размагничивающий модуль, представляющий собой многовитковую катушку (до 50 витков) размещается в гибком разъемном металлорукаве из немагнитного материала.
Для создания электрического контакта многовитковой катушки модуль оснащен специальным быстросочленяемым разъемом [4], использование которого уменьшает время монтажа-демонтажа модуля на трубопроводе в несколько раз. Применение немагнитного гибкого металлорукава из нержавеющей стали не только предохраняет многовитковую катушку от повреждения брызгами расплавленного металла, но и позволяет, по сравнению с прототипом, расположить ее, при необходимости, на меньшем расстоянии от свариваемого шва.
2) Внесено усовершенствование в конструкцию датчиков магнитного поля. Датчики магнитною ноля имеют собственное, независимое от положения размагничивающего модуля, крепление к свариваемой трубе с помощью постоянного магнита. Связь датчиков с блоком управления осуществляется кабелем с использованием цифрового канала с помехозащищенным протоколом.
3) Введение дополнительного режима автомагического импульсного однополярного размагничивания, то есть автоматического поиска значения величины тока, создающего противоноле такой величины, при выключении которого намагниченность остается в пределах заданного минимального значения, позволяет произвести дальнейшее выключение питания прибора и, при необходимости, снятие размагничивающих модулей с трубопровода. Это приводит, по сравнению с процессом размагничивания, заложенному в прототипе, к многократному уменьшению величины потребляемой электрической энергии.
Полезная модель поясняется следующим образом.
На фиг.1 представлена рабочая схема использования предлагаемого устройства. Изображен продольный разрез свариваемой трубы 1 с зазором под сварку ввариваемой трубы-катушки 5. На трубе 1 расположено заявляемое устройство, которое состоит из нескольких размагничивающих модулей - многовитковых разъемных катушек размагничивания 4, датчиков магнитного поля 3, помещенных вблизи свариваемых зазоров. Датчики передают информацию о состоянии намагниченности в электронный блок 2, управляющий величиной тока, подающегося в размагничивающие модули.
На фиг.2 схематически изображен размагничивающий (и компенсирующий) модуль. Гибкий металлорукав. длиной соответствующей наибольшему или заданному диаметру труб нефте - и газопроводов, содержит 45-50 витков размагничивающей обмотки и соединяется специальным многоконтакным быстросочленяемым разъемом 9 [4]. С помощью входных 7 и выходных 8 разъемов необходимое число модулей 4 может быть собрано в общую катушку размагничивания, ток в которой задается одним каналом блока
управления. На выходном разъеме последнего размагничивающего модуля, установленного на подготавливаемом шве, устанавливается заглушка 6 (см. фиг.1) для обеспечения электрического контакта в размагничивающей цепи. Гибкость конструкции позволяет с определенной свободой располагать ее на трубах различных диаметров. Использование двух независимых каналов в блоке управления, позволяет вести сварку на двух швах одновременно.
Для обеспечения возможности непрерывной работы на шве с поддержанием необходимого уровня компенсации датчик может быть перемещен в удобное место из зоны сварки при создании помехи для сварочного процесса. Датчики величины магнитного поля устройства располагаются непосредственно в зоне свариваемого шва и постоянно контролируют уровень магнитного поля. Изменение магнитного состояния в зазоре шва в процессе сварки отслеживается этими датчиками, и блок управления автоматически изменяет компенсирующий ток. В случае неоднородности магнитного поля по длине свариваемого шва, превышающей 4 мТл, блок управления 2 может быть переведен на ручной режим для того, чтобы установить индукцию магнитного поля в аномальной точке зазора минимальной.
На фиг.3 схематически представлен выносной датчик магнитного поля. Рабочая часть датчика с холловским элементом 10 закреплена на гибкой стойке 11, соединенной с корпусом датчика 12, содержащим аналого-цифровой преобразователь и электронный блок для передачи информации в блок управления через выходной разъем 14. Корпус датчика имеет автономную магнитную систему крепления 13 к свариваемой трубе. Рабочая часть датчика плоская для возможности помещения ее непосредственно в зазор шва. Датчик измеряет поле, перпендикулярное плоскости его рабочей части.
После включения устройства в режиме «автоматического размагничивания» датчиками 3 определяется направление поля, а электронным блоком 2 выбирается направление и величина тока через кабели размагничивающего модуля 4 так, чтобы создаваемое ими магнитное поле было направлено навстречу полю в трубе, и устанавливается такая величина тока через них, при выключении которого остаточная намагниченность не превышает допустимого значения, необходимого для получения качественно шва. В режиме «автомагической компенсации» электронный блок управления задает ток компенсации, при котором значение намагниченности принимает минимальное значение. Если в процессе сварки по каким-то причинам происходит изменение величины магнитного поля, это отслеживается датчиками 3, и соответственно блоком 2 автоматически корректируется ток через компенсирующие модули 4.
Питание устройства осуществляется от сварочного выпрямителя или другого диодного выпрямителя с выходным напряжением 70 В и потребляемым током не более 40 А при суммарной максимальной нагрузке по обоим каналам.
Изготовлены опытные образцы заявляемого устройства. Испытания его были проведены при ремонтных работах на нефтепроводе ⌀1220 мм с толщиной стенок трубы 13 мм Начальная величина индукции магнитного поля в обоих зазорах швов, подготовленных под сварку, составляла 190 и 155 мТл, соответственно. Ввариваемая катушка имела длину - 3,6 м. поэтому в этом случае было применено на каждый шов по 3 размагничивающих модуля, состоящих в целом из 150 витков. Полное время монтажа размагничивающих модулей составило 8 минут. После включения электронного блока в режиме «автоматического размагничивания» минимизация магнитного поля в обоих швах была достигнута через 2 минуты. Контрольные измерения магнитного поля в зазоре шва дали значения меньше 1,5 мТл. Проведенное при этих условиях заваривание швов по данным рентгеновской дефектоскопии показало его хорошее качество.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается снижением потребляемой электроэнергии в 50 раз, уменьшением трудозатрат в 3 раза и позволяет полностью скомпенсировать магнитное поле с начальной индукцией порядка 300 мТл.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить, что заявляемое устройство отличается не только конструктивными особенностями разъемных многовитковых модулей размагничивания и датчиков, но и наличием новых схемных решений в электронном блоке управления током компенсации: обеспечением работы устройства в режимах как «автоматического размагничивания», так и «автоматической компенсации». Таким образом, заявляемое техническое решение соответствуют критерию «новизна». Введение автомагического режима размагничивания приводит по сравнению с режимом компенсации прототипа к сокращению времени размагничивания, многократному снижению потребляемой электроэнергии, уменьшению трудовых затрат и повышению надежности размагничивания и, соответственно, к повышению качества сварочных работ. Вследствие этого предлагаемое расширение возможностей устройства обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию «существенные отличия». Промышленная применимость технического решения показана выше при ремонтных работах на нефтепроводе.
Источники информации
1. Патент на полезную модель №49353 от 31.05.2005. Опубл. 10.11.2005.
2. Патент на полезную модель №43399 от 27.04.2004. Опубл. 10.01.2005.
3. Свидетельство на полезную модель №13271 от 08.12.1999, H01F 13/00, Бюл. №9, 2000.
4. Патент на полезную модель №76508 от 19.05.2008. H01R 13/62, Бюл. №26, 2008. -