МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ВНУТРИТРУБНЫЙ МАГНИТНЫЙ ДЕФЕКТОСКОП

Полезная модель относится к внутритрубному магнитному контролю состояния стенок и сварных швов нефтегазопроводов путем пропуска внутри обследуемого трубопровода многосекционного диагностического снаряда, записи в бортовом компьютере измеренных магнитных величин и последующего определения параметров состояния трубопровода по накопленным данным. Она направлена на повышение достоверности магнитного контроля, при котором обеспечивается возможность регистрации дефектов различных типов (различной конфигурации и ориентации) и на снижение затрат магнитного контроля.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является внутритрубный магнитный дефектоскоп (Патент RU 40804, oп. 27.09.2004), содержащий секции продольного и поперечного намагничивания. Каждая из этих секций содержит систему намагничивания с постоянными магнитами и упругими щетками из стальной проволоки. Данные системы намагничивания создают в стенке трубопровода магнитное поле насыщения, которое рассеивается дефектами сплошности стенок трубы. Поля рассеяния регистрируются преобразователями магнитного поля, которые выполнены на основе элементов Холла. Преобразователи Холла установлены на упругих элементах, скользящих по внутренней поверхности трубы. Датчики, расположенные на секции продольного намагничивания, измеряют продольную составляющую магнитного поля, а на секции поперечного намагничивания - соответственно поперечную составляющую магнитного поля. Кроме того, дефектоскоп содержит кольцо преобразователей магнитного поля, измеряющих радиальную составляющую магнитного поля рассеивания.
Недостатком запатентованного магнитного дефектоскопа является то, что он не позволяет различать внутренние и внешние дефекты стенок трубопровода, он не может определять состояние профиля трубопровода (изменения внутреннего диаметра, эллипсность, вмятины и вспучивания) и различать напряженно-деформированное состояние стенок трубопровода. После прохода снаряда стенки трубопровода остаются в намагниченном состоянии, что затрудняет последующие сварочно-ремонтные работы.
В основу полезной модели положена задача повышения точности и достоверности результатов измерения и идентификации различных типов и размеров дефектов.
х
х
у
Поставленная задача решается тем, что в многосекционном внутритрубном магнитном дефектоскопе, содержащем последовательно соединенные между собой с помощью сцепного устройства секции, каждая из которых включает шасси с несущим цилиндрическим корпусом из магнитомягкого материала, на концах которого установлены опорно-двигательные элементы, на корпусе крепятся намагничивающая система, выполненная в виде намагничивающих поясов из радиально намагниченных постоянных магнитов, один полюс которых закреплен за корпусе, а на втором полюсе которых установлены щетки из магнитомягкого материала, контактирующие с внутренней поверхностью трубы и измерительная система, выполненная в виде измерительного пояса из датчиков магнитного поля, причем состав (сборка) содержит секцию магнитной дефектоскопии с продольным намагничиванием и секцию магнитной дефектоскопии с поперечным намагничиванием, согласно полезной модели введены секция определения профиля внутренней поверхности трубопровода, секция определения напряженно-деформированного состояния трубопровода и секция размагничивания, причем по ходу движения секции установлены в следующей порядке, секция определения профиля трубопровода, содержащая намагничивающую систему из двух намагничивающих поясов, намагниченных радиально и однонаправлено, которые создают между корпусом и стенкой трубопровода стабильную, не меняющуюся при движении устройства разность магнитных потенциалов, при этом поверхность корпуса-ярма и внутренняя поверхность трубы становятся эквипотенциальными поверхностями, магнитные потоки при этом не должны вводить материалы трубы, корпуса и щеток в область технического насыщения, и измерительную систему, причем один измерительный пояс жестко закреплен на заданном расстоянии от корпуса, а другой подпружинен к внутренней поверхности трубы, секция магнитной дефектоскопии с продольным намагничиванием, содержащая намагничивающую систему из двух поясов с радиальным и разнонаправленным намагничиванием, которые намагничивают стенки трубопровода между намагничивающими поясами до состояния технического насыщения продольно по направлению S-N по ходу движения и измерительный пояс, из подпружиненных к внутренней поверхности трубы из чередующихся между собой датчиков, измеряющих компоненту магнитного поля Н вдоль образующей труб и датчиков, измеряющие угол а, между вектором направления магнитного поля и образующей трубы, секция определения напряженно-деформированного состояния трубопровода, содержащая намагничивающую систему, выполненную в виде двух намагничивающих поясов с радиальной и разнонаправленной намагниченностью, создающих между намагничивающими поясами продольное намагничивание стенки трубопровода по направлению S - N по ходу движения слабым магнитным полем, и измерительную систему, установленную между намагничивающими поясами и выполненную в виде подвижного измерительного пояса из датчиков магнитного поля, подпружиненных к стенке трубы, которые измеряют тангенциальную составляющую магнитного поля Н вдоль образующей трубы, секция магнитной дефектоскопии с поперечным намагничиванием, содержащая намагничивающую систему, выполненную в виде двух намагничивающих поясов, причем каждый из намагничивающих поясов разбит на магнитные модули поперечного намагничивания, образованные двумя разнополярными блоками, в межполюсном пространстве которых выполнена измерительная зона, магнитные модули с разнонаправленным намагничиванием в измерительной зоне, чередуясь, равномерно расположены по периметру намагничивающего пояса и смещены относительно магнитных модулей другого намагничивающего пояса на угол π/n, где n - количество магнитных модулей в намагничивающей поясе, в измерительной зоне установлены подпружиненные к стенкам трубы, чередующиеся между собой датчики магнитного поля, измеряющие компоненту магнитного поля Н перпендикулярную образующей трубы, и датчики направления магнитного поля, измеряющие угол α, между направлением вектора магнитного поля и направлением перпендикулярным образующей трубы, секция размагничивания, содержащая как минимум один намагничивающий пояс, состоящий из равномерно расположенных по окружности намагничивающих полюсов, выполненных клинообразными, количество полюсов выбирают в зависимости от толщины трубы и минимальной остаточной намагниченности, до которой необходимо ее размагнитить.
Секция определения профиля трубы распознает такие параметры трубы как овальность, вмятины. Секция магнитной дефектоскопии с продольным намагничиванием определяет в основном наличие поперечно протяженных дефектов трубопровода и их параметров, таких как глубина, длина и ширина. Однако она не может распознать узкие продольные дефекты, которые при продольном намагничивании стенки трубопровода не создают полей рассеяния достаточных для их регистрации. Секция магнитной дефектоскопии с поперечным намагничиванием позволяет определить в основном наличие продольно протяженных дефектов трубопровода и их параметров, таких как глубина, длина и ширина. Однако она не может распознать узкие поперечные дефекты, которые при продольном намагничивании стенки трубопровода не создают полей рассеяния достаточных для их регистрации. Однако, использование результатов измерения трех этих секций позволяет выявить дефекты с различной ориентацией, а также идентифицировать дефекты на внутренние и внешние.
В основе работы секции определения напряженно-деформированного состояния трубопровода лежит принцип, основанный на свойстве ферромагнитных материалов изменять магнитное состояние под влиянием механических напряжений. Наиболее сильная зависимость магнитных параметров стали от напряженно-деформированного состояния существуют в слабых магнитных полях, т.е. в полях в которых существуют магнитные домены и соответственно происходят необратимые процессы. Для создания определенного и стабильного слабого магнитного поля используется двойное перемагничивание с использованием магнитной системы секции магнитного дефектоскопа с продольным намагничиванием. Т.е. секция с дефектоскопа с продольным намагничиванием играет роль измерительной секции и подготовительной секции.
Секция размагничивания трубы осуществляет размагничивание трубопровода и тем самым устраняет влияние прохождения многосекционного магнитного дефектоскопа на последующие сварочно-ремонтные работы.
Заявляемый многосекционный магнитный дефектоскоп позволяет достоверно диагностировать продольные и поперечные дефекты, различать внутренние и внешние дефекты стенок трубопровода, контролировать состояние профиля трубопровода (изменения внутреннего диаметра, эллипсность, вмятины и вспучивания) и определять напряженно-деформированное состояние стенок трубопровода.
Изложение конструкции устройства и принципа его работы иллюстрировано чертежами:
на фиг.1 изображен общий вид устройства;
на фиг.2 изображено устройство вид сбоку;
на фиг.3 дано сечение верхней части устройства, запассованного в трубопровод с одной измерительной секцией;
на фиг.4 дана электрическая блок схема устройства.
Многосекционный внутритрубный магнитный дефектоскоп содержит последовательно соединенные: секцию 1 определения профиля трубы, секцию 2 магнитной дефектоскопии с продольным намагничиванием, секцию 3 определения напряженно-деформированного состояния трубы, секцию 4 магнитной дефектоскопии с поперечным намагничиванием и секцию 5 размагничивания трубы (фиг.1, 2). Секции 1-5 соединены стыковочным модулем 6. Стыковочный модуль 6 выполнен с возможностью гибкого осевого (продольного) смещения, но без углового смещения его фланцевых соединительных элементов. Это обеспечивает последовательное и без углового смещения движение секций относительно профиля трубопровода. Каждая из секций 1-5 содержит соответственно шасси 7.1-7.5, с несущим цилиндрическим корпусом (ярмом) 8.1-8.5, выполненным из магнитомягкого материала (фиг.2, 3). На передних и задних торцевых гранях корпуса 8.1.-8.5 соответственно установлены опорно-двигательные элементы 9.1.-9.5 и 10.1.-10.5, которые выполнены в виде манжет, которые могут дополняться поясом подпружиненных роликов 11.1.-11.5. Опорно-двигательные элементы 9, 10 и 11 обеспечивают центровку магнитного дефектоскопа в трубопроводе (трубе) 12. Перепад давления рабочей среды, создаваемый плотным прилеганием опорно-двигательных элементов - манжет 9 и 10 к стенкам 12 трубопровода обеспечивает перемещение шасси 7.1-7.5 в обследуемом трубопроводе потоком транспортируемого по нему продукта.
На шасси 7.1 секции 1 определения профиля трубы установлена намагничивающая система и измерительная система. Намагничивающая система выполнена в виде двух идентичных намагничивающих поясов 13 и 14, каждый из которых содержит пояс постоянных магнитов, соответственно 15 и 16 и пояс гибких магнитных щеток, соответственно 17 и 18.
Направление намагничивания в постоянных магнитах 15 и 16 одинаковое от ярма к трубе.
Измерительная система секции 1, содержит первый пояс из датчиков 19 магнитного поля подпружиненных к стенкам 12 трубы с помощью упругих элементов ("ласт") 20, которые закреплены одним концом к корпусу 8.1. и второй измерительный пояс из датчиков 21 магнитного поля, которые жестко закреплены на небольшом, заданном расстоянии от корпуса (ярма) 8.1. В носовой части шасси секции 1 установлен обтекатель 22 и скоба 23. Скоба 23 используется при транспортно-погрузочных работах, для установки устройства в трубопровод, а также для сцепления его с дополнительным измерительным устройством при создании многосекционного устройства.
На шасси 7.2. секции 2 магнитного дефектоскопа с продольным намагничиванием установлена намагничивающая и измерительная система.
х
Намагничивающая система выполнена в виде двух намагничивающих поясов 24 и 25, каждый из которых содержит пояс постоянных магнитов, соответственно 26 и 27 и пояс гибких магнитных щеток, соответственно 28 и 29. Направление намагничивания в постоянных магнитах 26 и 27 разнонаправленное. Первый намагничивающий пояс 24 создает радиальное магнитное поле от стенке трубы к ярму, а второй 25 соответственно от ярма к стенке трубы. Такое поле намагничивает стенку 12 трубы в зоне А второй секции S→N по ходу движения снаряда. Намагничивающая система намагничивает стенки трубопровода 12 до насыщения.. Между намагничивающими поясами 24 и 25 расположена измерительная система, образующая измерительный пояс из датчиков 30 измеряющих амплитуду компоненты магнитного поля Н вдоль образующей трубы 12 и датчиков 31 направления магнитного поля, измеряющие азимутальный угол α на поверхности трубы, характеризующий изменение вектора магнитного потока в стенке трубы относительно образующей трубы. Датчики 30 магнитного поля и датчики 31 направления магнитного поля измерительного пояса прижимаются к внутренней поверхности трубопровода 12 с помощью упругих элементов 32, которые закреплены одним концом к корпусу 8.2.
На шасси 7.3. секции 3 определения напряженно-деформированного состояния трубы 12 установлена намагничивающая и измерительная система. Намагничивающая система секции 3 состоит из ярма 8.3 и двух намагничивающих поясов 33 и 34, каждый из которых содержит пояс постоянных магнитов, соответственно 35 и 36 и пояс гибких магнитных щеток, соответственно 37 и 38. Намагничивание в постоянных магнитах 35 и 36 разнонаправленное, причем направление магнитного потока в стенке трубы в зоне D должно совпадать с направлением магнитного потока создаваемого намагничивающей системой секции 2 в зоне А. Т.е. направление намагничивания стенки 12 трубы в зоне D третьей секции S→N по ходу движения снаряда и намагничивается участок слабым полем намагничивающей системы секции 3.
Между намагничивающими поясами 33 и 34 расположена измерительная система, содержащая датчики 39 магнитного поля, образующие измерительный пояс. Датчики 39 магнитного поля измерительного пояса прижимаются к внутренней поверхности трубопровода 12 с помощью упругих элементов 40.
На шасси 7.4. секции 4 магнитного дефектоскопа с поперечным намагничиванием установлена намагничивающая и измерительная система.
Намагничивающая система секции 4 включает два радиально намагничивающих пояса 41 и 42 (фиг.1), каждый из которых содержит пояс постоянных магнитов, соответственно 43 и 44 и пояс гибких магнитных щеток, соответственно 45 и 46 (фиг.3). Намагничивающий пояс 41 выполнен (образован) из набора магнитных модулей поперечного намагничивания, каждый из которых представляет собой пару магнитных блоков (полюсов) 47 и 48, в которых направление намагничивания постоянных магнитов 43 противоположное. В центре магнитного модуля выполнено отверстие в намагничивающем поясе, образующее межполюсное пространство, которое играет роль измерительной зоны 49. Магнитные модули с разнонаправленным намагничиванием в измерительной зоне 49 чередуясьравномерно расположены по периметру намагничивающего пояса 41. Намагничивающий пояс 42 выполнен аналогичным образом, причем его магнитные модули смещены относительно магнитных модулей намагничивающего пояса 41 на угол π/n, где n - количество магнитных модулей в намагничивающем поясе (фиг.2). Такое смещение магнитных модулей в соседних намагничивающих поясах обеспечивает сканирование по всему периметру внутренней поверхности трубы.
В измерительной зоне 49 расположена измерительная система, содержащая чередующиеся между собой датчики 50 измеряющие компоненту магнитного поля Ну перпендикулярную образующей трубы и датчики 51 направления магнитного поля, измеряющие угол α между направлением вектора магнитного поля на поверхности трубы и направлением перпендикулярным образующей трубы, причем датчики 51 направления магнитного поля чередуются в измерительной зоне с датчиками 50 магнитного поля.
В качестве датчиков 51 могут быть использованы тонкопленочные магниторезистивные датчики или другие типы датчиков, определяющих направление магнитного поля, либо другие датчики, измеряющие направление вектора магнитного поля.
Датчики 50 магнитного поля и датчики 51 направления магнитного поля измерительного пояса прижимаются к внутренней поверхности трубопровода 12 с помощью упругих элементов 52.
На шасси 7.5. секции 5 размагничивания трубы расположен намагничивающий пояс 53 (фиг.2). Пояс состоит из равномерно расположенных по окружности полюсов 54 образованных из постоянных магнитов 55, на внешней поверхности которых крепятся щетки 56. Полюса 54 выполнены клинообразными, за счет уменьшения числа или размеров постоянных магнитов 55 и соответственно уменьшения размеров щеток 56 (количества тросов). Форма полюсов 54 и их количество может бытьразличной, в зависимости от толщины стенок и материала трубопровода, а также скорости движения устройства.
Постоянные магниты намагничивающих систем секций 1-5 могут быть выполнены на основе сплава Al-Ni-Co-Fe (АЛЬНИКО), на основе сплава SmCo (САМАРИЙ-КОБАЛЬТ), который обладает уникальным сочетанием сильных магнитных свойств, коррозийной устойчивости и стабильности при высоких температурах, а также на основе сплава NdFeB (НЕОДИМ-ЖЕЛЕЗО-БОР).
Внутри каждого из корпусов 8.1-8.5 секций 1-5 расположены электронный модуль 57, содержащий бортовой компьютер 58 и блок питания 59 (фиг.4). Блок 59 питания содержит батарейную секцию 60, модуль 61 преобразования напряжения батареи в напряжение, необходимое для питания электронных модулей, искрозащитный модуль 62 и модуль распределения питания 63. Электрический выход батарейной секции 60 подключен к входу модуля преобразования напряжения 61, выходы которого подключены через искрозащитный модуль 62 к модулю распределения питания 63. Выходы модуля распределения питания 63 подключены ко всем электронным модулям и элементам устройства. Бортовой компьютер 58 содержит процессор 64, блок 65 аналого-цифрового преобразования данных измерений и запоминающее устройство 66 на базе твердотельной интегральной схемы. Выходы датчиков 19, 21, 30, 31, 39, 50 и 51 соответствующих секций 1-5 соединены с информационными входами блока 65 аналого-цифрового преобразования.
Измерительная система каждой из секций 1-5 может также дополнительно содержать датчик 67 внешнего давления, датчик 68 углового поворота и датчик 69 температуры и одометр 70. Информационные выходы датчиков магнитного поля каждой из секций и информационные выходы датчика 67 внешнего давления, датчика 68 углового поворота и датчика 69 температуры и одометра 70 подключены к соответствующим входам блока 65 аналого-цифрового преобразования.
Через шлюзовую камеру устройство - многосекционный внутритрубный снаряд вводится в начало контролируемого участка трубопровода 12. Оптимальная расчетная скорость движения внутритрубного снаряда по трубе составляет 1÷3 м/с при скорости движения транспортируемого продукта, например газа, до 17 м/с. Скорость передвижения обеспечивается, так называемой "байпасной" схемой взаимодействия транспортируемого продукта и внутритрубного снаряда, при которой транспортируемый продукт обтекая элементы конструкции устройства (снаряда) создает аэродинамическую силу, заставляющую снаряд непрерывно перемещаться в направлении потока транспортируемого продукта с заданной скоростью.
При движении многосекционного внутритрубного дефектоскопа магнитного внутри трубопровода 12 каждая из секций 1-5 последовательно дискретно сканирует участок трубы по периметру, измеряя топографию магнитного поля. Последующая компьютерная обработка этих данных позволяет выявить информацию о дефектах трубопровода 12.
Секция 1 определения профиля трубы распознает такие параметры трубы как овальность, вмятины. Работа данной секции основана на том, что между корпусом 8.1 (ярмом) секции 1 и стенкой 12 трубопровода создается стабильная, не меняющаяся при движении снаряда, разность магнитных потенциалов, а поверхность ярма 8.1 и поверхность стенки 12 трубы над 8.1. ярмом при этом являются эквипотенциальными поверхностями. Датчики 19 магнитного поля измеряют топографию магнитного поля в непосредственной близости к трубе 12, а датчика 20 магнитного поля - на заданном расстоянии от ярма 8.1. Измерение топографии магнитного поля на двух уровнях между трубой 12 и ярмом 8.1 достаточно для однозначного определения профиля внутренней поверхности трубы 12. Увеличение точности в определении неоднородностей профиля трубы 12 может быть достигнуто за счет уменьшения шага при сканировании топографии поля и измерением топографии поля не на двух, а на трех или большем количестве уровней.
Данные измерений обрабатываются и записываются в запоминающее 66 устройство бортового компьютера 58.
х
х
Секция 2 магнитной дефектоскопии с продольным намагничиванием определяет дефекты трубопровода 12 и их параметры: глубина, длина и ширина. В основе работы секции магнитного дефектоскопа с продольным намагничиванием лежит принцип измерения магнитного потока рассеяния над дефектом, т.е. измерения магнитного поля Н. По измеренным величинам Н с высокой точностью можно определить параметры дефектов вытянутых перпендикулярно направлению приложенного магнитного поля (дефекты швов). Но для дефектов типа лунки, магнитный поток рассеивается не только в воздух, но и растекается в стороны от дефекта. Учесть величину магнитного потока, обтекающего дефект, позволяет измерение дополнительной компоненты магнитного поля - направления магнитного потока в стенке трубы, т.е. измерение угла α. Несмотря на то, что измерение производится над поверхностью трубы, общеизвестно, что в намагниченном материале тангенциальные составляющие магнитного поля на его поверхности являются непрерывными, т.е. измеренный на поверхности угол α соответствует направлению магнитного потока в стенке трубы. В качестве датчиков могут быть использованы тонкопленочные магниторезистивные датчики или другие типы датчиков, определяющих направление магнитного поля, либо другие датчики, измеряющие направление вектора магнитного поля.
х
Сигналы от датчиков 30 измеряющих амплитуду компоненты магнитного поля Н вдоль образующей трубы 12 и датчиков 31 направления магнитного поля, измеряющие азимутальный угол α на поверхности трубы, характеризующий изменение вектора магнитного потока в стенке трубы относительно образующей трубы передаются через аналого-цифровой преобразователь 65 в запоминающее устройство 66.
Секция 3 осуществляет раннюю диагностику напряженно-деформированного состояния трубопровода. В основе работы секции 3 лежитпринцип, основанный на свойстве ферромагнитных материалов изменять магнитное состояние под влиянием механических напряжений. Наиболее сильная зависимость магнитных параметров стали от напряженно-деформированного состояния существуют в слабых магнитных полях, т.е. в полях в которых существуют магнитные домены и соответственно происходят необратимые процессы.
Для создания определенного и стабильного слабого магнитного поля используется двойное перемагничивание с использованием магнитной системы секции 2. Секция 2 намагничивает участок стенки трубы до насыщения (зона А, фиг.3). Затем этот участок перемагничивается в противоположном направлении (зона В) и после удаления секции 2 участок размагничивается до остаточной намагниченности (зона С). Затем этот участок стенки трубы намагничивается слабым полем намагничивающей системы 3 (зона D). Таким образом, в зоне D магнитные характеристики обуславливаются как параметрами магнитной системы измерительной секции 2, так и остаточной намагниченностью. Этим создаются между намагничивающими поясами измерительной секции оптимальные условия для измерения характеристик магнитного поля, которые содержат информацию о напряженно-деформированном состоянии трубопровода.
Сигналы от датчиков 39 передаются через аналого-цифровой преобразователь 65 в запоминающее устройство 66.
у
Секция 4 магнитной дефектоскопии с поперечным намагничиванием определяет дефекты трубопровода 12 и их параметры: глубина, длина и ширина. Намагничивающая система создает измерительные зоны 49 с поперечным намагничиванием, где располагаются чередующиеся между собой датчики 50 измеряющие компоненту магнитного поля Н перпендикулярную образующей трубы и датчики 51 направления магнитного поля, измеряющие угол α между направлением вектора магнитного поля на поверхности трубы и направлением перпендикулярным образующей трубы.
Сигналы от датчиков 50 и 51 передаются через аналого-цифровой преобразователь 65 в запоминающее устройство 66.
Секция 5 размагничивания трубы 12 осуществляет размагничивание трубопровода. Спереди по ходу движения секции 5 труба намагничена полосами с намагниченностью направленной поперек трубы. На каждое сечение трубы 12 намагничивающий пояс 53 воздействует сначала основаниями (самыми широкими) концами клинообразных полюсов 54, намагничивая сегменты трубы 12 встречно-параллельно и до насыщения. Затем на каждое сечение трубы 12 воздействуют последующие элементы полюсов 54, меньших размеров и с меньшей намагничивающей силой. Таким образом, после воздействия устройства на стенках трубопровода остаются полосы, намагниченные встречно-параллельно с минимальным уровнем намагниченности, а также неширокий магнитный шлейф, в области прохождения центральной зоны полюсов 54, с продольной намагниченностью и минимальным уровнем намагниченности.