Устройство для ультразвукового контроля трубопровода

Полезная модель относится к области техники неразрушающего контроля трубопроводов, а более конкретно к бесконтактным ультразвуковым методам неразрушающего контроля и может использоваться для внутритрубного контроля трубопроводов малых диаметров от 200 мм до 400 мм сложной геометрии без их вскрытия в сфере энергетики.
Известно «Устройство и блок датчиков для контроля трубопровода с использованием ультразвуковых волн двух разных типов» (Патент РФ №2485388, МПК F16L 55/26, дата приоритета 05.11.2008, опубликовано: 20.06.2013), которое относится к внутритрубному контролю действующих трубопроводов с использованием внутритрубного снаряда. Используются волны двух разных типов (например, горизонтально поляризованная поперечная волна и симметричная волна Лэмба) для распознавания дефектов различных типов путем сравнения соответствующих сигналов, принятых от дефектов. Сигналы детектируются электромагнитно-акустическими измерительными преобразователями. Амплитуды принятых сигналов волн обоих типов сравниваются для вычисления отношения, которое может быть сравнено с распределением величин отношений для известных дефектов с целью оценки типа обнаруженного дефекта. Устройство может представлять собой блок датчиков, выполненный с возможностью установки на внутритрубном снаряде и имеющий несколько датчиков, распределенных по его окружности. Техническим результатом заявленной группы изобретений является возможность распознавания трещинообразных и других дефектов в стенке трубопровод. Недостатком является использование в качестве средства доставки внутритрубного снаряда, который не может быть использован для проведения контроля сложных трубопроводных обвязок малого диаметра.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели и выбранной в качестве прототипа является полезная модель «Устройство для ультразвукового контроля труб и средства ультразвукового контроля для использования в этом устройстве» (Патент РФ №66547, МПК G01N 29/26, дата приоритета 13.04.2007, опубликовано: 10.09.2007). Известное устройство содержит установленные диаметрально противоположно в сечении трубопровода с возможностью перемещения по его внутренней поверхности два электромагнитно-акустических преобразователя, в каждый из которых включены постоянные магниты и высокочастотная катушка. Во время продольного и кругового перемещения по внутренней поверхности трубопровода электромагнитно-акустические преобразователи осуществляют возбуждение и прием ультразвуковых колебаний. Недостатком прототипа, несмотря на пространственное разделение электромагнитно-акустических преобразователей, является из-за их двойственной функции возбудителя и приемника взаимное влияние передающего и приемного трактов, а также большая длительность процедуры контроля трубопроводов.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в оптимизации передающего и приемного трактов и уменьшение уровня помех наводимых на приемник.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении чувствительности и производительности контроля трубопроводов малых диаметров.
Данный технический результат достигается тем, что устройство для ультразвукового контроля трубопровода содержит два электромагнитно-акустических преобразователя, которые установлены в диаметрально противоположных точках внутренней поверхности трубопровода с возможностью продольного перемещения вдоль его оси. Каждый преобразователь состоит из постоянного магнита и высокочастотной катушки, новым является то, что один электромагнитно-акустический преобразователь наделен функцией возбудителя ультразвуковых колебаний, а второй преобразователь наделен функцией приемника ультразвуковых колебаний, при этом высокочастотная катушка первого преобразователя выполнена из провода большого поперечного сечения с малым числом витков, а высокочастотная катушка второго преобразователя выполнена из провода малого поперечного сечения с большим числом витков.
Разделение функций электромагнитно-акустических преобразователей, на функцию возбудителя ультразвуковых колебаний и функцию приемника ультразвуковых колебаний с соответствующей разницей в структуре их высокочастотных катушек обеспечивает существенное увеличение чувствительности контроля по сравнению с прототипом, а необходимость только продольного их перемещения по внутренней поверхности трубопровода и отсутствие при этом необходимости их вращения по его окружности ощутимо повышает производительность контроля.
Диаметр провода катушки возбудителя и число витков катушки приемника примерно в пять раз больше соответственно диаметра провода катушки приемника и числа витков катушки возбудителя.
Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой схематично представлено предлагаемое устройство. Оно содержит модуль ультразвукового контроля 1 с системой формирования приема и обработки сигналов, а также электроприводов, обеспечивающих выдвижение в диаметрально противоположные стороны двух, телескопических манипуляторов 2. Модуль 1 устанавливается на средство передвижения 3 внутри трубопровода 4. На конце одного из манипуляторов 2 установлен возбудитель ультразвуковых колебаний 5, а на конце другого - их приемник 6. Возбудитель 5 и приемник 6 выполнены в виде электромагнитно-акустических преобразователей, каждый из которых содержит постоянные магниты 7 и высокочастотные катушки. Высокочастотная катушка 8 электромагнитно-акустического преобразователя с функцией возбудителя 5 выполнена из провода большого поперечного сечения и малым числом витков, а высокочастотная катушка 9 электромагнитно-акустического преобразователя с функцией приемника 6 выполнена из провода малого поперечного сечения и большим числом витков.
Устройство работает следующим образом. После помещения в трубопровод средства передвижения 3 с модулем контроля 1 выбирается такое продольное сечение трубопровода установки манипуляторов, чтобы продольный сварной шов трубы не попадал под электромагнитно-акустический преобразователь. Путем выдвижения телескопических манипуляторов 2 выставляют минимально возможный зазор между внутренней поверхности трубы в зоне контроля и электромагнитно-акустическими преобразователями. В результате подачи переменного напряжения на катушку 8 и прохождения в ней переменного тока в металлическом теле трубы возникают вихревые токи. Действующая на двигающиеся в магнитном поле постоянного магнита 7 возбудителя 5 заряженные частицы сила Лоренца, направленная вдоль поверхности контроля, способствует механическому смещению области с вихревым током, возбуждению акустических колебаний и их распространению. При этом в катушках 8 и 9 возникает индукционный ток, являющийся фактором использования тех же электромагнитно-акустических преобразователей в качестве приемника распространяющихся в теле трубы колебаний.
В предлагаемом устройстве, благодаря различной структуре катушек 8 и 9, функции возбудителя 5 и приемника 6 разделены между двумя электромагнитно-акустическими преобразователями. Интенсивность возбуждаемых электромагнитно-акустическим преобразователем вихревых токов и ультразвуковых колебаний внутри металла трубопровода зависит от амплитуды силы переменного тока пропускаемого через высокочастотную катушку 8. Увеличенное поперечное сечение провода катушки 8 и его малая длина позволяют минимизировать сопротивление катушки при высоком внутреннем сопротивлении генератора подаваемого на катушку переменного напряжения и обеспечить высокую интенсивность исходного сигнала. Чувствительность же к принимаемому сигналу связана с числом витков в высокочастотной катушке 9 приемника 6, так как вихревые токи в металле трубопровода индуцируют в витках катушки 9 ток подобно тому, как это происходит во вторичной обмотке трансформатора и выходное напряжение, соответствующее уровню принятого сигнала, повышено при большем числе витков. При этом во избежание отдаления катушки 9 приемника 6 от поверхности трубы и соответственно уменьшения уровня принимаемого сигнала витки катушки 9 должны быть выполнены из более тонкого (до определенного предела) провода. Многочисленные расчеты и эксперименты показали, что оптимальное соотношение диаметров и числа витков катушек 8 и 9 такое, что диаметр провода катушки 8 возбудителя 5 и число витков катушки 9 приемника 6 примерно в пять раз больше соответственно диаметра провода катушки 9 приемника 6 и числа витков катушки 8 возбудителя 5. Испытания проводились с числом витков катушки 8 равным 35-40 при диаметре провода 0,5 мм и соответственно числом витков 175-200 катушки 9 при диаметре провода 0,1 мм.
Таким образом, благодаря разделению функций возбудителя 5 и приемника 6 с соответствующей разницей в структуре их высокочастотных катушек 8 и 9 обеспечивается существенное увеличение чувствительности контроля по сравнению с прототипом, а необходимость только продольного перемещения по внутренней поверхности трубы и отсутствие при этом необходимости вращения по ее окружности ощутимо повышает производительность контроля.