УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ТРУБ И СРЕДСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЭТОМ УСТРОЙСТВЕ

Полезная модель относится к устройствам для диагностики состояния материалов и конструкций и может быть использована при обследовании технологических и магистральных трубопроводов.
Известно большое количество устройств для контроля трубопроводов, например, диагностические снаряды, самоходные установки колесного или гусеничного типа и т.п.
Известен диагностический снаряд, описанный в US 2005/0072237 (07.04.2005), перемещаемый внутри контролируемого трубопровода потоком транспортируемого продукта. Диагностический снаряд содержит измерительный модуль, имеющий акустическую приемно-излучающую систему, состоящую по меньшей мере из одного электромагнитно-акустического преобразователя (ЭМАП), и выполненную с возможностью установки на требуемом расстоянии от поверхности контролируемого объекта для обеспечения постоянного акустического контакта.
Однако, этот диагностический снаряд не может быть использован для проведения контроля сложных трубопроводных обвязок. Для обеспечения достоверности и производительности контроля труб большого диаметра требуется использовать большое количество электромагнитно-акустических преобразователей, что повышает стоимость данного устройства. Кроме того, данный снаряд предназначен для выявления только трещиноподобных дефектов, ориентированных вдоль трубы.
В качестве прототипа выбрано устройство для электромагнитного контроля труб, описанное в US 2006/0164091 (27.06.2006), устанавливаемое с возможностью вращения на средства перемещения внутри трубы, снабженные узлом вращения. Устройство содержит основание, которое соединено с узлом вращения средств перемещения внутри трубы и на котором установлены средства намагничивания стенки трубы, выполненные в виде магнитных полюсов, расположенных
на концах электропроводящей штанги, закрепленной на основании. Кроме того, устройство содержит массив преобразователей магнитного поля, также установленный на основании устройства, на некотором расстоянии вдоль продольной оси вала от средств намагничивания. Преобразователи магнитного поля выполнены в виде датчиков Холла.
Основание устройства выполнено в виде вала, который соединен с узлом вращения средств перемещения внутри трубы и расположен соосно с продольной осью исследуемой структуры. Кроме того, штанга выполнена телескопической, что позволяет выполнять обследование труб различного диаметра. Однако датчики разнесены с магнитами воль по оси вала, что необходимо для реализации технологии электромагнитной диагностики. Это не позволяет создать компактную конструкцию устройства, которая при прохождении по трубопроводу способна преодолевать участки, имеющие большой угол поворота. Кроме того, данное устройство имеет низкую чувствительность к выявляемым дефектам.
Задачей настоящей полезной модели является создание компактного устройства для ультразвукового контроля труб различного диаметра, которое позволяет с высокой точностью выявлять потери металла на наружной поверхности трубы, обнаруживать внутренние дефекты тела трубы, а также измерять толщину стенок трубопровода.
Решение поставленной задачи может быть достигнуто благодаря тому, что в средствах ультразвукового контроля труб, устанавливаемых с возможностью вращения на средствах перемещения, выполненных с возможностью перемещения в трубе, и содержащем основание, на котором установлены средства намагничивания стенки трубы и преобразователи магнитного поля, каждый из которых включает чувствительные к магнитному полю элементы, каждый преобразователь магнитного поля выполнен с возможностью возбуждения поперечных ультразвуковых волн с круговой поляризацией и расположен в одном сечении со средствами намагничивания.
Размещение преобразователя магнитного поля в одном сечении со средствами намагничивания, стало возможным благодаря использованию в предлагаемом устройстве преобразователей, которые осуществляют электромагнитно-акустическое возбуждение и прием ультразвуковых сдвиговых волн с круговой поляризацией, принцип работы которых позволяет размещать преобразователи
непосредственно около средств намагничивания, так что не требуется их продольное разнесение по оси вала. Благодаря этому может быть получена компактная конструкция устройства, которая при прохождении по трубопроводу способна преодолевать участки, имеющие большой угол поворота.
Кроме того, средства ультразвукового контроля могут содержать средства визуального контроля стенки трубы, установленные на основании.
Средства ультразвукового контроля могут содержать узел подвеса преобразователя, который соединен с основанием посредством телескопического манипулятора. Выполнение манипуляторов телескопическими, позволяет выполнять контроль труб различного диаметра, а также обеспечивать надежный акустический контакт преобразователей с контролируемой поверхностью трубопровода.
Узел подвеса может быть соединен с телескопическим манипулятором с возможностью вращения вокруг трех перпендикулярных осей.
Кроме того, решение поставленной задачи может быть достигнуто благодаря тому, что в устройстве для ультразвукового контроля труб, содержащем средства перемещения внутри трубы и средства ультразвукового контроля труб, установленные с возможностью вращения на средства перемещения внутри трубы и содержащие основание, на котором установлены средства намагничивания стенки трубы и преобразователи магнитного поля, каждый из которых включает чувствительные к магнитному полю элементы, каждый преобразователь магнитного поля выполнен с возможностью возбуждения поперечных ультразвуковых волн с круговой поляризацией и расположен в одном сечении со средствами намагничивания.
Кроме того, устройство ультразвукового контроля может содержать средства визуального контроля стенки трубы, установленные на основании.
Устройство для ультразвукового контроля может содержать узел подвеса преобразователя, который соединен с основанием посредством телескопического манипулятора.
Далее следует подробное описание примера выполнения полезной модели со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид спереди устройства для ультразвукового контроля труб;
фиг.2 изображает вид сбоку узла подвеса;
фиг.3 изображает вид снизу узла подвеса;
фиг.4 изображает вид сбоку в разрезе преобразователя электромагнитно-акустического;
фиг.5 изображает вид сбоку в разрезе камеры телевизионной.
Предлагаемое устройство для ультразвукового контроля труб содержит средства контроля труб, выполненные в виде модуля 35 ультразвукового контроля, показанного на фиг.1, который устанавливается с возможностью вращения на средства перемещения внутри трубы, которые выполнены в виде гусеничного средства перемещения.
Гусеничное средство перемещения имеет два нижних трака, выполненных с возможностью настройки под диаметр трубопровода, и верхний выдвижной трак для распора при движении по вертикальным участкам. Такое конструктивное выполнение средства перемещения позволяет осуществлять внутритрубную диагностику горизонтальных, наклонных и вертикальных участков технологических трубопроводов различного диаметра. Кроме того, средство перемещения имеет узел вращения, соединенный с модулем 35 и обеспечивающий круговое перемещение этого модуля внутри трубы.
Модуль 35 содержит герметичный корпус 1, на котором с диаметрально противоположных сторон установлены два телескопических манипулятора 2.
На конце каждого манипулятора 2 установлен с возможностью вращения узел подвеса 4 (фиг.1, 2), в котором крепится электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП) 5. Выполнение манипуляторов 2 телескопическими позволяет при их раздвижении установить узлы подвеса 4 на поверхность контролируемого объекта (трубы) и обеспечить постоянный акустический контакт ЭМАП и поверхности трубы в случае труб разного диаметра, а также в случае овальности контролируемого трубопровода.
Оба манипулятора 2 раздвигаются и складываются при помощи одного общего привода (не показан). Каждый манипулятор 2 содержит пружину 6, позволяющую компенсировать неравномерность расстояния от корпуса модуля 35 до поверхности контролируемого объекта (трубы) в процессе проведения диагностического обследования. Благодаря такой конструкции манипулятора 2, между ЭМАП 5 и поверхностью трубопровода обеспечивается зазор от 0 до 0,75 мм.
Узел подвеса 4, показанный на фиг.2 и 3, выполнен в виде тележки 7 с колесами 8. Узлы подвеса 4 подпружинены посредством пружин 6 манипуляторов
2, так что колеса 8 упираются во внутреннюю поверхность трубы и обеспечивают перемещение узлов подвеса 4 вдоль окружности этой поверхности.
Тележка 7 содержит кронштейн 9 с шарниром 10 и раму 11 (фиг.2, 3). ЭМАП 5 крепится на раме через прокладку 12, что позволяет регулировать величину рабочего зазора между рабочей поверхностью ЭМАП и поверхностью объекта контроля. Отверстие 28 шарнира 10 предназначено для установки штанги манипулятора 2.
Благодаря тому, что манипуляторы 2 выполнены телескопическими, узлы подвеса 4 могут перемещаться поступательно вдоль оси этих манипуляторов. Возможность вращения узлов подвеса 4 вокруг точки крепления узла подвеса 4 к манипулятору 2 в любом направлении (вокруг трех перпендикулярных осей - поворот, наклон, и качание) обеспечена благодаря шарниру 10, к которому крепится штанга манипулятора 2. Такая конструкция узла подвеса 4 позволяет проходить неровности внутри трубы при постоянном рабочем зазоре. Кабели 13 (фиг.1) каждого узла подвеса 4 проведены внутрь корпуса 1 при помощи гермовводов 14 и подключены к электронным узлам (не показаны), расположенным внутри корпуса 1 и обеспечивающими работу ЭМАП 5, управление обзорными камерами 3, установленными в корпусе 1 и предназначенными для осуществления контроля за наведением ЭМАП 5 на точку контроля стенки трубопровода, как более подробно описано ниже, и приводом выдвижения манипулятора.
Как показано на фиг.4, ЭМАП 5 содержит магнитную систему, включающую постоянные магниты 15, например, на основе сплава Nd-Fe-B, и высокочастотную катушку (не показана), которая расположена непосредственно под магнитной системой. Магниты 15 размещены в корпусе 16, а высокочастотная катушка расположена на подложке 17 и залита слоем 21 полиуретана, толщиной 0,2 мм. Корпус 16 и подложка 17 соединены между собой посредством винтов (не показаны). В корпусе 16 предусмотрено уплотнительное кольцо 20, предотвращающее попадание в корпус ЭМАП влаги. ЭМАП также содержит крышку 18 с гермовводом 19 и кабели 13 в защитной оболочке с гермовводом 14. Диаметр рабочей зоны ЭМАП составляет 10 мм.
ЭМАП 5 выполняет как функции излучателя ультразвуковой волны, так и ее приемника.
Две обзорные камеры 3 установлены в гнездах 23 в корпусе 1, и закреплены при помощи уплотнительных прокладок 24 (фиг.1). Каждая камера 3 представляет собой ПЗС-модуль с объективом 25, установленным внутри герметичного взрывозащищенного корпуса 26, как показано на фиг.5. ПЗС-модуль обеспечивает преобразование светового потока от объекта контроля в телевизионный сигнал. Внутри корпуса также установлены светодиодные осветители 27, обеспечивающие освещение объекта контроля. Передняя часть корпуса закрывается съемной крышкой 28, которая обеспечивает пропускание света к входному окну объектива ПЗС-модуля и света от светодиодных осветителей. Крышка 28 снабжена прокладкой 29, которая позволяет обеспечить герметичность конструкции камеры. Из задней части корпуса 26 выходят соединительные провода, на которые устанавливается выходной разъем 30 для подключения камеры к источникам питания и приемнику телевизионного сигнала (не показаны). Камеры 2 позволяют осуществлять контроль за наведением ЭМАП на точку контроля стенки трубопровода.
Устройство работает следующим образом. Для проведения процедуры контроля модуль 35 устанавливают на средство перемещения, соединяя его с узлом вращения, обеспечивающим круговое перемещение модуля 35 по внутренней поверхности трубопровода.
Возможны два варианта проведения контроля тела трубы:
- сплошное спиральное сканирование с заданным шагом, обеспечиваемое равномерным передвижением средства перемещения в трубопроводе и одновременным круговым перемещением ЭМАП по внутренней поверхности трубопровода;
- поэтапное кольцевое сканирование сечения трубопровода с периодическим перемещением средства перемещения на заданный шаг и одновременным круговым перемещением ЭМАП по внутренней поверхности трубопровода.
До начала процедуры контроля средство перемещения с установленным на него модулем 35 для ультразвукового контроля загружают внутрь трубопровода с помощью штатных приспособлений через места загрузки, приводят средство перемещения в рабочее состояние и располагают в зоне контроля.
Проводят визуальный осмотр места контроля с помощью обзорных камер 3. Далее устанавливают узлы подвеса 4 вблизи объекта контроля, выставляя требуемый зазор между объектом контроля и ЭМАП 5, путем выдвижения
телескопических манипуляторов 2. Для обеспечения устойчивой работы ЭМАП величина воздушного зазора между ЭМАП и контролируемой поверхностью должна составлять от 0 мм до 0, 75 мм.
В случае спирального сканирования тела трубы производят поступательное перемещения средства перемещения вдоль продольной оси трубы и вращение модуля 35. Во время такого перемещения ЭМАП 5 осуществляют возбуждение и прием ультразвуковых колебаний.
Принцип работы ЭМАП проиллюстрирован на фиг.6. Когда ЭМАП подводится к объекту контроля 32, происходит его намагничивание под действием магнитной системы 31 (фиг.6). На катушку 33 подается переменный ток, и она начинает колебаться, что приводит к возбуждению упругих колебаний на поверхности объекта контроля 32 с частотой равной частоте тока, а также индуцированию в объекте контроля высокочастотных вихревых токов 34. Так как силы взаимодействия вихревых токов с магнитным полем параллельны поверхности, в стенке трубы возбуждается поперечная ультразвуковая волна (SH-волна) с круговой поляризацией. Указанная волна отражается от противоположной стенки трубы или от дефектов внутри стенки. По характеру отраженного сигнала судят о наличии или отсутствии дефектов и их параметрах.
Предлагаемое устройство для ультразвукового контроля позволяет выполнять диагностику технического состояния основного металла тела трубы. В частности устройство позволяет определять потерю металла на наружной поверхности трубы, внутренних дефектов тела трубы и измерять уменьшение толщины стенки трубопровода.