УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к области нефтегазовой промышленности, в частности к устройствам для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Под неразрушающим контролем следует понимать контроль надёжности основных рабочих свойств и параметров объекта (например, контролируемого изделия) или отдельных его элементов/узлов, не требующий выведения объекта из работы либо его демонтажа.
Одной из основных целей использования неразрушающего контроля в различных отраслях промышленности является надёжное выявление дефектов изделия.
Дефектами сварных соединений следует считать любые отклонения от заданных нормативными документами параметров соединений при сварке, образовавшиеся вследствие нарушения требований к сварочным материалам, подготовке, сборке и сварке соединяемых элементов, термической и механической обработке сварных соединений и конструкции в целом. Причины дефектов сварки в целом распределены следующим образом: 45% - ошибки выбора технологии сварки, 32% - ошибки сварщика, 12% - сбои в работе сварочного оборудования, 10% - неподходящие сварочные материалы, 1% - прочее. Дефекты сварных соединений в целом разделяют на шесть групп:
1. Трещины - несплошности, вызванная местным разрывом шва, который может возникнуть в результате охлаждения или действия нагрузок.
2. Полости и поры - несплошность произвольной формы, образованная газами, задержанными в расплавленном металле, которая не имеет углов.
3. Твёрдые включения - твёрдые инородные вещества металлического или неметаллического происхождения в металле сварного шва.
4. Несплавления и непровары - отсутствие соединения между металлом сварного шва и основным металлом или между отдельными валиками сварного шва.
5. Нарушение формы шва - отклонение формы наружных поверхностей сварного шва или геометрии соединения от установленного значения.
6. Прочие дефекты - все дефекты, которые не могут быть включены в перечисленные выше группы.
Выбор конкретных методов неразрушающего контроля определяется эффективностью обнаружения дефектов изделия, при этом на практике наибольшее распространение получил метод ультразвукового контроля, поскольку он обладает высокими чувствительностью, мобильностью и экологичностью. Метод ультразвукового контроля основан на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний с частотой 0,5-25 МГц в контролируемых изделиях с помощью специального оборудования, в частности ультразвукового преобразователя и дефектоскопа.
Существует несколько методов возбуждения ультразвуковых волн в исследуемом изделии. Наиболее распространённым является электромагнитно-акустический метод (ЭМА-метод), основанный на приложении сильных переменных магнитных полей к металлу. ЭМА-метод может работать через воздушный зазор и не предъявляет особых требований к качеству поверхности контролируемого изделия.
В настоящее время известны различные устройства для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода, в которых для возбуждения ультразвуковых волн, позволяющих выявить различные дефекты сварных соединений трубопровода, используют ЭМА-метод.
Один из иллюстративных примеров устройств для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода описан в патенте РФ №187205 (далее RU 187205, опубликованном 25 февраля 2019 года). В частности, в патенте RU 187205 раскрыто устройство для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода, содержащее средство доставки, выполненное с возможностью перемещения в трубопроводе и снабженное двумя парами электромагнитно-акустических преобразователей, в каждой из которых один из электромагнитно-акустических преобразователей является возбудителем ультразвуковых колебаний, а другой электромагнитно-акустический преобразователь является приемником ультразвуковых колебаний.
Недостаток известного устройства для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода заключается в том, что оно не способно одновременно обнаруживать дефекты с разной ориентацией в сварных соединениях трубопровода.
Таким образом, очевидна потребность в дальнейшем совершенствовании известных устройств для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода, в частности для обеспечения возможности одновременного обнаружения дефектов с разной ориентацией в сварных соединениях трубопровода.
Следовательно, техническая проблема, решаемая настоящей полезной моделью, состоит в создании устройства для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода, в котором по меньшей мере частично устранен обозначенный выше недостаток известных устройств для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода, заключающийся в невозможности одновременного обнаружения дефектов с разной ориентацией в сварных соединениях трубопровода.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача настоящей полезной модели состоит в создании устройства для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода, решающего по меньшей мере обозначенную выше проблему.
Поставленная задача решена в настоящей полезной модели благодаря тому, что в предложенном устройстве для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода, содержащем средство доставки, выполненное с возможностью перемещения в трубопроводе и снабженное двумя парами электромагнитно-акустических преобразователей, в каждой из которых один из электромагнитно-акустических преобразователей является возбудителем ультразвуковых колебаний, а другой электромагнитно-акустический преобразователь является приемником ультразвуковых колебаний, электромагнитно-акустические преобразователи в указанных парах размещены таким образом, что при перемещении средства доставки в трубопроводе обеспечена возможность размещения электромагнитно-акустических преобразователей в одной из указанных пар по разные стороны от сварного соединения трубопровода с одновременным размещением обоих электромагнитно-акустических преобразователей в другой паре по одну из сторон от указанного сварного соединения трубопровода.
Устройство для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода согласно настоящей полезной модели обеспечивают технический результат, заключающийся в повышении эффективности ультразвукового контроля сварных соединений, в частности благодаря обеспечению возможности одновременного выявления в одном и том же сварном соединении трубопровода дефекта, ориентированного поперек указанного сварного соединения, и дефекта, ориентированного вдоль указанного сварного соединения, с использованием соответственно пары электромагнитно-акустических преобразователей, в которой электромагнитно-акустический преобразователь, являющийся возбудителем ультразвуковых колебаний, и электромагнитно-акустический преобразователь, являющийся возбудителем ультразвуковых колебаний, могут быть размещены по разные стороны от указанного сварного соединения, и пары электромагнитно-акустических преобразователей, в которой электромагнитно-акустический преобразователь, являющийся возбудителем ультразвуковых колебаний, и электромагнитно-акустический преобразователь, являющийся возбудителем ультразвуковых колебаний, могут быть размещены по одну из сторон от указанного сварного соединения.
В одном из вариантов реализации настоящей полезной модели обе пары электромагнитно-акустических преобразователей в предложенном устройстве для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода могут быть установлены на средстве доставки с возможностью одновременного поворота вокруг него. Возможность одновременного поворота обеих пар электромагнитно-акустических преобразователей вокруг средства доставки в предложенном устройстве для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода также вносит свой вклад в сформулированный выше технический результат, заключающийся в повышении эффективности ультразвукового контроля сварных соединений, в частности за счет обеспечения возможности прозвучивания ультразвуком всего сварного шва с использованием обеих пар электромагнитно-акустических преобразователей, что позволяет выявить в каждом месте прозвучивания сварного шва поперечно ориентированные дефекты и продольно ориентированные дефекты.
В другом варианте реализации настоящей полезной модели обе пары электромагнитно-акустических преобразователей в предложенном устройстве для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода могут быть размещены по отношению друг к другу на противоположных сторонах средства доставки. Размещение двух пар электромагнитно-акустических преобразователей на противоположных сторонах средства доставки также вносит свой вклад в сформулированный выше технический результат, заключающийся в повышении эффективности ультразвукового контроля сварных соединений, в частности за счет предотвращения или сведения к минимуму влияния ультразвуковых колебаний, возбужденных возбудителем в одной из указанных двух пар электромагнитно-акустических преобразователей, на отраженные  ультразвуковые колебания (эхо-сигнал), принимаемые приемником в другой паре электромагнитно-акустических преобразователей из указанных двух пар электромагнитно-акустических преобразователей.
Еще в одном варианте реализации настоящей полезной модели обе пары электромагнитно-акустических преобразователей в предложенном устройстве для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода могут быть установлены на средстве доставки с возможностью выдвижения из него на заданное расстояние. Возможность выдвижения обеих пары электромагнитно-акустических преобразователей от средства доставки, на котором они установлены, также вносит свой вклад в сформулированный выше технический результат, заключающийся в повышении эффективности ультразвукового контроля сварных соединений, в частности за счет отсутствия необходимости в контакте электромагнитно-акустических преобразователей с внутренней поверхностью контролируемого трубопровода, который может привести к дополнительному повреждению указанной поверхности, а также за счет отсутствия помех со стороны сварочного грата и за счет наличия возможности адаптирования устройства к трубопроводам любого диаметра, которое позволяет задать надлежащее для функционирования расстояние между поверхностью контролируемого трубопровода и электромагнитно-акустическими преобразователями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые приведены для обеспечения лучшего понимания сущности настоящей полезной модели, составляют часть настоящего документа и включены в него для иллюстрации нижеописанных вариантов реализации и аспектов настоящей полезной модели. Прилагаемые чертежи в сочетании с приведенным ниже описанием служат для пояснения сущности настоящей полезной модели.
На фиг. 1 показана конструкция устройства для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода согласно настоящей полезной модели.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
На фиг. 1 показано устройство 10 для ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода согласно настоящей полезной модели, размещенное или установленное в трубопроводе 6 в развернутом состоянии (рабочем состоянии).
Устройство 10, показанное на фиг. 1, предназначено для выявления дефектов сварки с различной ориентацией в кольцевых сварных соединениях (в уровне техники также называются кольцевыми сварными стыками или кольцевыми сварными швами) на внутренней поверхности трубопроводе 6, который может представлять собой, например, магистральный трубопровод, используемый для передачи нефтепродуктов или газа.
Как показано на фиг. 1, устройство 10 содержит средство 1 доставки, выполненное в виде, например, вращающегося снаряда (также называемого в уровне техники как снаряд-дефектоскоп или дефектоскоп-снаряд), имеющего любую подходящую конструкцию, известную в уровне техники. Средству 1 доставки приданы форма и размеры, подходящие для его размещения или установки во внутренней полости трубопровода 6, которая обычно имеет цилиндрическую форму. Следует отметить, что средство 1 доставки выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри трубопровода 6 по его длине, в частности благодаря колесным средствам (не показаны), которыми снабжен корпус (не показан) средства 1 доставки, при этом колесные средства в средстве 1 доставки представлены четырьмя самоориентирующимися опорными колесами, каждое из которых снабжено отдельным мотор-генератором (не показан), размещенном в соответствующем модуле подвески (не показан), установленном на корпусе средства 1 доставки, и которые входят каждое во взаимодействие или контакт с внутренней поверхностью трубопровода 6 с обеспечением возможности перемещения средства 1 доставки внутри трубопровода 6.
В одном из вариантов реализации настоящей полезной модели колесные средства в средстве 1 доставки могут быть представлены двумя, тремя, пятью, шестью, семью, восемью, девятью и более самоориентирующихся опорных колес.
Еще в одном варианте реализации настоящей полезной модели колеса, образующие колесные средства в средстве 1 доставки, могут быть установлены каждое на специальном выдвижном механизме, обеспечивающем возможность регулирования степени выдвижения указанного колеса по отношению к корпусу средства 1 доставки, что позволяет приспособить или адаптировать средство 1 доставки к трубопроводу 6 с любым внутренним диаметром для обеспечения возможности перемещения средства 1 доставки по внутренней полости такого трубопровода 6.
В другом варианте реализации настоящей полезной модели средство 1 доставки может быть выполнено в виде известных в уровне техники специальной колесной базы или специального колесного модуля, в которых колеса выполнены таким образом, что они могут входить каждое во взаимодействие с внутренней поверхностью трубопровода 6 или вступать с ней в контакт с обеспечением возможности перемещения средства 1 доставки внутри трубопровода 1 до целевого места, соответствующего подлежащему контролю сварному соединению трубопровода 6.
В состав средства 1 доставки также входит осветительный модуль (не показан), содержащий светодиоды или иные осветительные элементы, размещенные с разных сторон корпуса средства 1 доставки, и выполненный с возможностью освещения ограниченной области внутренней поверхности трубопровода 6, находящейся рядом со средством 1 доставки. Кроме того, средство 1 доставки содержит модуль захвата изображений (не показан), который может быть реализован, например, в виде фотокамеры и/или видеокамеры, встроенной в корпус средства 1 доставки, и выполненный с возможностью непрерывной (в реальном времени) фиксации изображений, иллюстрирующих область внутренней поверхности трубопровода 6, подсвеченную осветительным модулем. Кроме того, в состав средства 1 доставки входит модуль определения координат (не показан), который может быть реализован, например, в виде GPS-модуля или GPS-датчика, и который выполнен с возможностью определения точного местоположения средства 1 доставки, что позволяет отслеживать перемещение средства 1 доставки внутри трубопровода 6, останавливать перемещающееся средство 1 доставки на конкретном участке трубопровода 6 для ультразвукового сканирования целевого кольцевого сварного соединения трубопровода, регистрировать местоположение сварных соединений в трубопроводе 6 с дефектами сварки и/или т.п. Средство 1 доставки также содержит модуль управления перемещением, который может быть выполнен, например, в виде отдельного микроконтроллера или микропроцессора, и который соединен со всеми мотор-генераторами вышеописанных колесных средств с возможностью управления их работой, что позволяет, в частности, задавать и/или регулировать скорость вращения роторов указанных мотор-генераторов и, следовательно, задавать и/или регулировать скорость перемещения средства 1 доставки внутри трубопровода 6.
Кроме того, в состав средства 1 доставки входит информационно-вычислительная система управления (не показана), содержащая по меньшей мере вычислительный модуль в виде микропроцессора или микроконтроллера, память в виде ОЗУ, локальное хранилище данных в виде, например, ПЗУ, для хранения управляющих инструкций, вспомогательных данных, используемых при работе вышеописанных функциональных модулей, результатов ультразвукового сканирования сварных соединений трубопровода и/или т.п., а также модуль связи в виде, например, Wi-Fi-адаптера и т.п., при этом указанный вычислительный модуль соединен с осветительным модулем, модулем захвата изображений, модулем определения координат и модулем управления перемещением с возможностью управления их работой и возможностью обмена с ними данными. Таким образом, вычислительный модуль, входящий в состав информационно-вычислительной системы управления, может принимать изображения, зафиксированные модулем захвата изображений, с обеспечением выявления на них сварного соединения внутри трубопровода 6.
В одном из вариантов реализации настоящей полезной модели вычислительный модуль может выдавать в реальном времени изображения, непрерывно фиксируемые модулем захвата изображений, на удаленный центр управления в виде управляющего сервера или компьютера для последующего выявления на них целевого кольцевого сварного соединения трубопровода 6, подлежащего сканированию ультразвуком на наличие дефектов сварки с различной ориентацией, при этом операции по выявлению кольцевых сварных соединений на полученных изображениях могут быть осуществлены на указанном удаленном центре управления в автоматическом режиме или оператором.
Кроме того, средство 1 доставки содержит модуль электропитания (не показан), который может быть реализован, например, в виде аккумуляторной батареи и который соединен с остальными вышеописанными функциональными модулями, входящими в состав средства 1 доставки, с обеспечением возможности питания указанных функциональных модулей.
Кроме того, средство 1 доставки снабжено двумя парами 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, выполненных каждая с возможностью осуществления ультразвукового сканирования сварного соединения внутри трубопровода 6 и установленных каждая на соответствующим одном из выдвижных манипуляторов 4, 5, выполненных каждый с возможностью телескопического выдвижения из корпуса средства 1 доставки, при этом выдвижение каждого из манипуляторов 4, 5 обеспечивает соответствующий один из электроприводов (не показаны), входящих в состав средства 1 доставки и управляемых вышеописанной информационно-вычислительной системой управления. Таким образом, манипулятор 4 обеспечивает возможность выдвижения пары 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей из корпуса средства 1 доставки, в который они первоначально вставлены или помещены, с обеспечением размещения обеих пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей на заданном расстоянии от корпуса средства 1 доставки, подходящем для ультразвукового сканирования целевого сварного соединения внутри трубопровода 6 (в частности, вплоть до 100 мм от сварного соединения трубопровода), при этом пара 2 электромагнитно-акустических преобразователей и пара 3 электромагнитно-акустических преобразователей оказываются размещенными по отношению друг к другу на взаимно противоположных сторонах средства 1 доставки.
В одном из вариантов реализации настоящей полезной модели корпус средства 1 доставки может иметь в целом цилиндрическую форму, так что пары 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей могут быть размещены на диаметрально противоположных сторонах корпуса средства 1 доставки на заданном расстоянии от него.
Кроме того, манипулятор 4, снабженный парой 2 электромагнитно-акустических преобразователей, и манипулятор 5, снабженный парой 3 электромагнитно-акустических преобразователей, установлены на вращающемся элементе (не показан), который входит в состав средства 1 доставки и который может быть выполнен, например, в виде вращающегося диска или дискообразного элемента, вращающегося кольца или кольцеобразного элемента, вращающегося цилиндрического элемента, вращающегося стакана, вращающейся втулки, вращающегося барабана или т.п., при этом вращение или поворот указанного вращающегося элемента средства 1 доставки может обеспечивать любой известный в уровне техники привод, подходящей для выполнения данной задачи и размещенный в корпусе средства 1 доставки, а вышеописанная информационно-вычислительная система управления может управлять работой указанного привода с обеспечением возможности задания скорости вращения указанного вращающегося элемента. Таким образом, информационно-вычислительная система управления может задавать и/или регулировать скорость поворота вращающегося элемента вокруг центральной оси средства 1 доставки и, следовательно, задавать и/или регулировать скорость поворота пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, которыми снабжены соответственно манипуляторы 4, 5, закрепленные на указанном вращающемся элементе, по отношению к внутренней поверхности трубопровода 6, в частности к кольцевому сварному соединению трубопровода 6. Следует отметить, что благодаря тому, что манипуляторы 4, 5, снабженные соответственно парами 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, установлены на одном и том же вращающемся элементе средства 1 доставки, то поворот пары 2 электромагнитно-акустических преобразователей и пары 3 электромагнитно-акустических преобразователей происходит по существу одновременно, при этом пары 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей за заданный период времени, соответствующий периоду времени между двумя последовательными поворотами пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей на заданный угол поворота, успевают просканировать ультразвуком два взаимно противоположных или диаметрально противоположных участка целевого сварного соединения внутри трубопровода 6, при этом поворот вращающегося элемента и, следовательно, перемещение пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей по отношению к целевому сварному соединению в трубопроводе 6 продолжается до тех пор, пока каждая из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей не завершит ультразвуковое сканирование всего указанного исследуемого сварного соединения. Следует также отметить, что во время поворота пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей по отношению к целевому сварному соединению в трубопроводе 6, сопровождающегося ультразвуковым сканированием соответствующих составных участков целевого сварного соединения трубопровода, средство 1 доставки сохраняет свое положение внутри трубопровода 6, т.е. не совершает какого-либо возвратно-поступательного перемещения по длине трубопровода 6, что позволяет каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей просканировать ультразвуком каждый из участков целевого сварного соединения трубопровода 6. Другими словами, пары 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей позволяют получить две разные совокупности данных о дефектах сварки, полученные каждая посредством соответствующей одной из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, для каждого из участков, составляющих целевое сварное соединение трубопровода 6 и по сути соответствующих каждый области сканирования пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, определяемой углом поворота пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей и техническими характеристиками пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей.
Кроме того, пары 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей соединены каждая с возможностью обмена данными с информационно-вычислительной системой управления, которая управляет работой пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей и обрабатывает измерительные сигналы, принимаемые от каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей.
Пара 2 электромагнитно-акустических преобразователей содержит электромагнитно-акустический преобразователь 2.1 и электромагнитно-акустический преобразователь 2.2, которые расположены на заданном расстоянии друг от друга и каждый из которых имеет свою диаграмму направленности, при этом электромагнитно-акустический преобразователь 2.1 и электромагнитно-акустический преобразователь 2.2 закреплены на манипуляторе 4 таким образом, что они расположены на одной линии, соединяющей их центры, а диаграммы направленности электромагнитно-акустических преобразователей 2.1, 2.2 пересекаются под соответствующим заданным углом, так что один из электромагнитно-акустических преобразователей 2.1, 2.2 по сути является генератором или возбудителем ультразвуковых колебаний, выполненным с возможностью отправки или направления импульсов ультразвуковых колебаний на соответствующую исследуемую область внутренней поверхности трубопровода, содержащей соответствующий один из участков целевого сварного соединения трубопровода 6, подлежащего ультразвуковому контролю, а другой электромагнитно-акустический преобразователь из электромагнитно-акустических преобразователей 2.1, 2.2 по сути является приемником ультразвуковых колебаний, выполненным с возможностью приема ультразвуковых волн, отраженных от указанной исследуемой области внутренней поверхности трубопровода 6 (т.е. так называемого эхо-сигнала), при этом указанные отраженные ультразвуковые волны по сути соответствуют указанным возбужденным ультразвуковым волнам.
Пара 3 электромагнитно-акустических преобразователей содержит электромагнитно-акустический преобразователь 3.1 и электромагнитно-акустический преобразователь 3.2, которые расположены на заданном расстоянии друг от друга и каждый из которых имеет свою диаграмму направленности, при этом электромагнитно-акустический преобразователь 3.1 и электромагнитно-акустический преобразователь 3.2 закреплены на манипуляторе 5 таким образом, что они расположены на одной линии, соединяющей их центры, а диаграммы направленности электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2 пересекаются под соответствующим заданным углом, так что один из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2 по сути является генератором или возбудителем ультразвуковых колебаний, выполненным с возможностью отправки или направления импульсов ультразвуковых колебаний на соответствующую исследуемую область внутренней поверхности трубопровода 6, содержащую соответствующий один из участков целевого сварного соединения трубопровода 6, подлежащего ультразвуковому контролю, а другой электромагнитно-акустический преобразователь из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2 по сути является приемником ультразвуковых колебаний, выполненным с возможностью приема ультразвуковых волн, отраженных от указанной исследуемой области (т.е. так называемого эхо-сигнала), при этом указанные отраженные ультразвуковые волны по сути соответствуют указанным возбужденным ультразвуковым волнам.
Таким образом, как описано выше, в каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей один из электромагнитно-акустических преобразователей является возбудителем ультразвуковых колебаний, а другой электромагнитно-акустический преобразователь является приемником ультразвуковых колебаний, который способен улавливать ультразвуковые колебания, возбужденные указанным возбудителем ультразвуковых колебаний, при их отражении от исследуемой области внутренней поверхности трубопровода 6, содержащей соответствующий участок контролируемого сварного соединения трубопровода 6. Другими словами, соответствующие возбудитель ультразвуковых колебаний и приемник ультразвуковых колебаний образуют каждую из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей.
Следует отметить, что каждый из электромагнитно-акустических преобразователей, образующих пары 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, состоит из постоянного магнита (не показан) и высокочастотной катушки (не показана), при этом высокочастотная катушка в каждом электромагнитно-акустическом преобразователе, выполняющем функцию возбудителя ультразвуковых колебаний, выполнена из провода с большим поперечным сечением и содержит меньшее количество витков, а высокочастотная катушка в каждом электромагнитно-акустическом преобразователе, выполняющем функцию приемника ультразвуковых колебаний, выполнена из провода с меньшим поперечным сечением и содержит большее количество витков. В одном из вариантов реализации настоящей полезной модели каждый из электромагнитно-акустических преобразователей, образующих пары 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, может состоять из нескольких или совокупности постоянных магнитов и нескольких или совокупности высокочастотных катушек.
При подаче переменного напряжения на высокочастотную катушку соответствующего электромагнитно-акустического преобразователя, выполняющего функцию возбудителя ультразвуковых колебаний в каждой из двух пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, с обеспечением прохождения переменного тока в указанной высокочастотной катушке в металлическом теле трубопровода 6 возникают вихревые токи, при этом сила Лоренца, действующая на заряженные частицы, двигающиеся в магнитном поле постоянного магнита, входящего в состав указанного электромагнитно-акустического преобразователя, выполняющего функцию возбудителя ультразвуковых колебаний, и направленная вдоль исследуемой области внутренней поверхности трубопровода 6, способствует механическому смещению области с вихревым током, возбуждению акустических колебаний и их распространению. Следует отметить, что в каждой из двух пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей в катушке, входящей в состав электромагнитно-акустического преобразователя, выполняющего функцию возбудителя ультразвуковых колебаний, и катушке, входящей в состав электромагнитно-акустического преобразователя, выполняющего функцию приемника ультразвуковых колебаний, возникает индукционный ток, являющийся фактором использования тех же электромагнитно-акустических преобразователей в качестве приемника ультразвуковых колебаний, распространяющихся в теле трубопровода 6.
Таким образом, благодаря различной структуре катушек, входящих каждая в состав соответствующего одного из двух электромагнитно-акустических преобразователей в каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, функция возбудителя ультразвуковых колебаний и функция приемника ультразвуковых колебаний разделены между указанными двумя электромагнитно-акустическими преобразователями.
Интенсивность вихревых токов и ультразвуковых колебаний, возбуждаемых соответствующим электромагнитно-акустическим преобразователем, выполняющим функцию возбудителя ультразвуковых колебаний в каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, внутри металла тела трубопровода 6, зависит от амплитуды силы переменного тока, пропускаемого через высокочастотную катушку, входящую в состав указанного электромагнитно-акустического преобразователя. Увеличенное поперечное сечение провода высокочастотной катушки, входящей в состав электромагнитно-акустического преобразователя, выполняющего функцию возбудителя ультразвуковых колебаний, и его малая длина позволяют минимизировать сопротивление указанной катушки при высоком внутреннем сопротивлении генератора, который подает на катушку переменное напряжения, и обеспечить высокую интенсивность исходного сигнала. Чувствительность же к принимаемому сигналу связана с числом витков в высокочастотной катушке, входящей в состав соответствующего электромагнитно-акустического преобразователя, выполняющего функцию приемника ультразвуковых колебаний в каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, так как вихревые токи в металле тела трубопровода 6 индуцируют ток в витках указанной высокочастотной катушки подобно тому, как это происходит во вторичной обмотке трансформатора, при этом выходное напряжение, соответствующее уровню принятого сигнала, повышается при увеличении количества витков. Для предотвращения отдаления высокочастотной катушки, входящей в состав соответствующего электромагнитно-акустического преобразователя, выполняющего функцию приемника ультразвуковых колебаний в каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, от внутренней поверхности трубопровода 6 и соответственно уменьшения уровня принимаемого сигнала витки указанной высокочастотной катушки должны быть выполнены из относительно более тонкого провода. Разделение функций возбудителя акустических колебаний и приемника акустических колебаний между электромагнитно-акустическими преобразователями в каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей с соответствующей разницей в структуре их высокочастотных катушек обеспечивает существенное увеличение чувствительности ультразвукового контроля сварных соединений трубопровода 6.
В зависимости от типов магнитов и/или топологии высокочастотных катушек в электромагнитно-акустических преобразователях, выполняющих функцию возбудителей ультразвуковых колебаний в парах 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, на исследуемом участке внутренней поверхности трубопровода 6 могут быть возбуждены различные типы волн с различной поляризацией, в том числе волны Лэмба, волны Релея, продольные волны или поперечные волны с горизонтальной, вертикальной или радиальной поляризацией, при этом электромагнитно-акустические преобразователи, выполняющие функцию приемников ультразвуковых колебаний в парах 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, будут принимать волны того же самого типа, которые были возбуждены указанными возбудителями ультразвуковых колебаний. Таким образом, электромагнитно-акустические преобразователи в каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей имеют тип магнитов и/или топологию высокочастотных катушек, позволяющие генерировать и принимать волны одного и того же типа. В предпочтительном варианте реализации настоящей полезной модели электромагнитно-акустические преобразователи, выполняющие функцию возбудителей ультразвуковых колебаний в каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, возбуждают SH-волны на внутренней поверхности трубопровода 6.
Следует отметить, что ультразвуковые колебания, возбуждаемые электромагнитно-акустическими преобразователями, выполняющими функцию возбудителей ультразвуковых колебаний в каждой из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, начинают распространяться непосредственно на внутренней поверхности трубопровода 6, минуя среду (например, воздух, жидкость или любую иную текучую среду) между указанными возбудителями ультразвуковых колебаний и контролируемым трубопроводом 6, в результате чего в указанной среде не возбуждаемая волна не претерпевает каких-либо искажений. Следует также отметить, что использование электромагнитно-акустических преобразователей в качестве возбудителей ультразвуковых колебаний не требует какой-либо предварительной подготовки внутренней поверхности трубопровода 6, такой как, например, очистка и/или шлифовка. Кроме того, пары 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей позволяют осуществлять ультразвуковое сканирование соответствующих участков внутренней поверхности трубопровода 6 с заданного расстояния до контролируемого сварного соединения, что в целом позволяет существенно снизить количество неконтролепригодных зон.
Таким образом, согласно приведенному выше описанию, средство 1 доставки использует эхо-импульсную схему прозвучивания, реализованную с использованием пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, установленных на средстве 1 доставки, и обеспечивает возможность выявления поверхностных и глубинных дефектов сварки различной ориентации в сварных соединениях трубопровода 6 с использованием эхо-сигналов в виде ультразвуковых колебаний, отраженных от указанных дефектов сварки. В частности, пики сигнала, принимаемого вычислительным модулем в информационно-вычислительной системе управления от электромагнитно-акустических преобразователей, выполняющих функцию приемников ультразвуковых колебаний в парах 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, представляют интенсивность отражения, указывающую на наличие или отсутствие дефектов сварки на просканированном или зондированном ультразвуком участке внутренней поверхности трубопровода 6, при этом время, измеренное указанным вычислительным модулем от момента направления импульса ультразвуковых колебаний до момента приема эхо-сигнала, позволяет определить глубину залегания указанных дефектов.
Электромагнитно-акустические преобразователи 2.1, 2.2 в паре 2 электромагнитно-акустических преобразователей, установленной на одном из концов манипулятора 4, размещены таким образом, что при надлежащем размещении средства 1 доставки по отношению к контролируемому сварному соединению в трубопроводе 6 линия, соединяющая центры указанных электромагнитно-акустических преобразователей 2.1, 2.2, ориентирована или расположена перпендикулярно указанному контролируемому кольцевому сварному соединению на внутренней поверхности трубопровода 6, при этом электромагнитно-акустические преобразователи 2.1, 2.2 размещены по разные стороны от указанного сварного соединения, предпочтительно на равном расстоянии от него. Таким образом, пара 2 электромагнитно-акустических преобразователей по существу использует поперечную схему прозвучивания при ультразвуковом контроле сварных соединений трубопровода 6, что позволяет выявлять или обнаруживать дефекты сварки с конкретной ориентацией в сварных соединениях в трубопроводе 6, в частности поперечные дефекты сварки, ориентированные поперек кольцевых сварных соединений в трубопроводе 6.
Кроме того, при надлежащем размещении средства 1 доставки по отношению к контролируемому сварному соединению в трубопроводе 6 одновременно с электромагнитно-акустическими преобразователями 2.1, 2.2 в паре 2 электромагнитно-акустических преобразователей, размещенными по отношению друг к другу вышеописанным образом, электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 3.2 в паре 3 электромагнитно-акустических преобразователей, установленной на одном из концов манипулятора 5, размещены таким образом, что линия, соединяющая центры указанных электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, ориентирована или расположена параллельно указанному контролируемому кольцевому сварному соединению на внутренней поверхности трубопровода 6, при этом электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 3.2 размещены по соответствующую одну из сторон от указанного сварного соединения. Таким образом, пара 3 электромагнитно-акустических преобразователей по существу использует продольную схему прозвучивания при ультразвуковом контроле сварных соединений трубопровода 6, что позволяет выявлять или обнаруживать дефекты сварки с другой ориентацией в сварных соединениях в трубопроводе 6, в частности продольные дефекты сварки, ориентированные вдоль кольцевых сварных соединений в трубопроводе 6.
Следует отметить, что надлежащее размещение средства 1 доставки по отношению к контролируемому сварному соединению в трубопроводе 6 может быть обеспечено с использованием, например, модуля захвата изображений при содействии осветительного модуля и/или модуля определения координат в случае известности точных координат подлежащего контролю сварного соединения в трубопроводе 6.
В одном из вариантов реализации настоящей полезной модели при надлежащем размещении средства 1 доставки по отношению к контролируемому сварному соединению в трубопроводе 6 электромагнитно-акустические преобразователи 2.1, 2.2 в паре 2 электромагнитно-акустических преобразователей могут быть размещены по соответствующую одну из сторон от указанного сварного соединения, а электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 3.2 в паре 3 электромагнитно-акустических преобразователей могут быть размещены по разные стороны от указанного сварного соединения.
Таким образом, вышеописанные функциональные модули, входящие в состав средства 1 доставки, обеспечивают возможность размещения обоих электромагнитно-акустических преобразователей в одной из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей по разные стороны от контролируемого кольцевого сварного соединения трубопровода 6 с одновременным размещением обоих электромагнитно-акустических преобразователей в другой паре электромагнитно-акустических преобразователей из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей по одну из сторон от указанного кольцевого сварного соединения трубопровода, что позволяет обнаружить или выявить поперечные дефекты, ориентированные поперек указанного кольцевого сварного соединения, и/или продольные дефекты, ориентированные вдоль указанного кольцевого сварного соединения, в том числе позволяет за один полный оборот вращающегося элемента в средстве 1 доставки выявить поперечные и продольные дефекты в одной и той же части кольцевого сварного соединения трубопровода 6.
При эксплуатации устройства 10 согласно настоящей полезной модели средство 1 доставки устанавливают во внутреннюю цилиндрическую полость трубопровода 6 через один из открытых концов трубопровода 6 или через специальный патрубок, обеспечивающий возможность доступа внутрь трубопровода 6 для его обслуживания и/или ремонта, с обеспечением опоры колесных средств в средстве 1 доставки на внутреннюю поверхность трубопровода 9.
В дальнейшем приводят в действие мотор-генераторы, работающие в средстве 1 доставки под управлением модуля управления перемещением, управляемого информационно-вычислительной системой управления, что обеспечивает перемещение средства 1 доставки с заданной скоростью перемещения на своих колесных средствах внутри трубопровода 6 до заданного места, которое может быть определено с помощью модуля захвата изображений во взаимодействии с осветительным модулем и/или модуля определения координат.
При достижении заданного места внутри трубопровода 6 осуществляют развертывание пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, установленных на вращающемся элементе, путем приведения в действие соответствующих электроприводов, работающих под управлением информационно-вычислительной системой управления, что обеспечивает выдвижение манипуляторов 4,5, на концах каждого из которых установлена соответствующая одна из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей на заданное расстояние до внутренней поверхности трубопровода 6, которое может быть первоначально задано или может, например, контролироваться с помощью модуля захвата изображений во взаимодействии с осветительным модулем. После развертывания пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей расположение средства доставки корректируют, посредством модуля захвата изображений при содействии осветительного модуля и/или модуля определения координат, таким образом, чтобы электромагнитно-акустические преобразователи 2.1, 2.2 в паре 2 электромагнитно-акустических преобразователей были размещены по разные стороны от контролируемого кольцевого сварного соединения трубопровода, а электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 3.2 в паре 3 электромагнитно-акустических преобразователей были размещены по соответствующую одну из сторон от указанного контролируемого сварного соединения трубопровода. Следует отметить, что при корректировке положения пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей по отношению к контролируемому кольцевому сварному соединению электромагнитно-акустические преобразователи 2.1, 2.2 должны быть предпочтительно расположены на одинаковом расстоянии от контролируемого сварного соединения (т.е. контролируемое сварное соединение трубопровода 6 должно быть расположено по середине между электромагнитно-акустическими преобразователями 2.1, 2.2) таким образом, что линия, соединяющая центры электромагнитно-акустических преобразователей 2.1, 2.2, проходит перпендикулярно указанному контролируемому кольцевому сварному соединению, а электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 3.2 должны быть предпочтительно расположены на расстоянии от контролируемого сварного соединения, равном указанному расстоянию от любого из электромагнитно-акустических преобразователей 2.1, 2.2 до указанного контролируемого сварного соединения, таким образом, что линия, соединяющая центры электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, проходит параллельно указанному контролируемому кольцевому сварному соединению. Следует отметить, что при вышеописанном надлежащем позиционировании пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей по отношению к контролируемому кольцевому сварному соединению трубопровода 6 диаграммы направленности электромагнитно-акустических преобразователей 2.1, 2.2 и диаграммы направленности электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2 ориентированы по отношению к указанному сварному соединению трубопровода под заданным углом.
После надлежащего позиционирования пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей по отношению к контролируемому кольцевому сварному соединению трубопровода 6 осуществляют поворот вращающегося элемента с постоянной скоростью поворота, имеющей предварительно заданное значение, путем приведения в действие соответствующего привода, работающего под управлением информационно-вычислительной системы управления, что приводит к повороту пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей с указанной скоростью поворота по отношению к контролируемому сварному соединению трубопровода 6 и, следовательно, к последовательному ультразвуковому сканированию, посредством пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей, диаметрально противоположных участков контролируемого сварного соединения трубопровода 6, при этом поворот вращающегося элемента осуществляют до тех пор, пока каждая из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей не просканирует ультразвуком все участки указанного контролируемого сварного соединения. Следует отметить, что при осуществлении ультразвукового сканирования контролируемого кольцевого сварного соединения средство 1 доставки сохраняет свое местоположение внутри трубопровода 6, т.е. не совершает каких-либо перемещений внутри трубопровода 6, и, следовательно, пары 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей сохраняют свое надлежащее положение по отношению к контролируемому сварному соединению, так что каждая из пар 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей сможет просканировать ультразвуком по существу каждый участок контролируемого сварного соединения после совершения полного оборота (т.е. поворота на 360 градусов) вращающимся элементом и, следовательно, парами 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей. Другими словами, после завершения ультразвукового сканирования контролируемого кольцевого сварного соединения вычислительный модуль в информационно-вычислительной системе управления получит отдельную совокупность данных о дефектах сварки по каждому из участков сварного соединения, образующих все контролируемое сварное соединение трубопровода 6, от пары 2 электромагнитно-акустических преобразователей и отдельную совокупность данных о дефектах сварки по каждому из указанных участков сварного соединения от пары 3 электромагнитно-акустических преобразователей, что позволит выявить на каждом таком участке сварного соединения трубопровода дефекты, ориентированные поперек указанного сварного соединения, и дефекты, ориентированные вдоль указанного сварного соединения. Следует также отметить, что при повороте вращающегося элемента пары 2, 3 электромагнитно-акустических преобразователей совершают перемещение вдоль контролируемого кольцевого сварного соединения трубопровода 6 таким образом, что указанное кольцевое сварное соединение находится одновременно на пересечении диаграмм направленности одного из электромагнитно-акустических преобразователей 2.1, 2.2, выполняющего в паре 2 электромагнитно-акустических преобразователей функцию возбудителя ультразвуковых колебаний, и другого электромагнитно-акустического преобразователя из электромагнитно-акустических преобразователей 2.1, 2.2, выполняющего в паре 2 электромагнитно-акустических преобразователей функцию приемника ультразвуковых колебаний, и на пересечении диаграмм направленности одного из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, выполняющего в паре 3 электромагнитно-акустических преобразователей функцию возбудителя ультразвуковых колебаний, и другого электромагнитно-акустического преобразователя из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, выполняющего в паре 3 электромагнитно-акустических преобразователей функцию приемника ультразвуковых колебаний.
В дальнейшем средство 1 доставки может быть перемещено внутри трубопровода 6 до следующего кольцевого сварного соединения, подлежащего контролю для выявления в нем дефектов с различной ориентацией.
В одном из вариантов реализации настоящей полезной модели средство 1 доставки может быть выполнено с возможностью автономной работы под управлением информационно-вычислительной системы управления, входящей в состав средства 1 доставки. В другом варианте реализации настоящей полезной модели средство 1 доставки может быть выполнено с возможностью полуавтономной работы, при этом средство 1 доставки может принимать управляющие команды от управляющего центра с использованием своего модуля связи.
В другом варианте реализации настоящей полезной модели информационно-вычислительная система управления, входящая в состав средства 1 доставки, может направить или выдать сведения о дефектах сварки, собранные по каждому из просканированных ультразвуком кольцевым сварным соединениям, на удаленный управляющий центр, такой как, например, управляющий сервер или управляющий компьютер, используемый оператором, или может сохранить указанные сведения в своем локальном хранилище данных для их последующего целевого использования.