СКАНИРУЮЩИЙ ДЕФЕКТОСКОП

Полезная модель относится к измерительной технике для неразрушающего контроля и может быть использована для обнаружения дефектов потери металла и растрескиваний в стенках труб газо- и нефтепроводов.
Важнейшей задачей для неразрушающей диагностики ферромагнитных протяженных объектов, к примеру, нефте- и газопроводов, является разработка автоматизированных устройств для бесконтактного сканирования их поверхностей, позволяющих обнаруживать дефекты потери металла и растрескиваний.
Известно устройство для наружного неразрушающего контроля стенок труб [патент РФ 2402760], содержащее тележку с несущей рамой, колесную ходовую подвеску, ходовой привод, автономный источник энергии, одометр, датчики средств неразрушающего контроля, устройство сбора информации с датчиков, бортовой компьютер, беспроводную систему передачи информации. В устройство также введены опорное колесо, трехкомпонентный датчик линейных ускорений, первый и второй контроллеры управления электродвигателями, устройство вывода исполнительных сигналов, электроуправляемый краскопульт, шкив, рычаг, пружина и гибкий трос-пояс. Ходовой привод состоит из двух колес, двух электромоторов-редукторов, а датчики средств неразрушающего контроля выполнены в виде вихретоковых преобразователей.
Устройство работает следующим образом. Дефектоскоп сканирует наружную поверхность трубы группой вихретоковых датчиков и удерживается на поверхности трубы благодаря тросу, охватывающему трубу и подпружиненным прижимным роликом, закрепленным на верхней стороне дефектоскопа. Информация о координатах предполагаемых дефектов и их величине из бортового компьютера передается по радиоканалу в переносный компьютер для контроля оператором.
К недостаткам данного устройства можно отнести то, что вихретоковые датчики хорошо обнаруживают трещины, но обладают плохой чувствительностью к остальным видам дефектов (например, к коррозии) и недостаточной точностью при определении геометрических параметров дефектов. Также вследствие того, что устройство удерживается на поверхности трубы благодаря тросу, охватывающему трубу, нет возможности проводить сканирование наружной поверхности трубы в случае, когда труба лежит, к примеру, на поверхности бетонных блоков, что создает дополнительные трудности при эксплуатации данного устройства.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому является система для ультразвукового контроля труб и сосудов (сканирующий дефектоскоп) [патент US 5619423], включающая датчики средств неразрушающего контроля, электронный блок с предусилителем, и видеоконтрольный блок, укрепленные на раме шасси с четырьмя опорными магнитными колесами, а также два шаговых электродвигателя, соединенных с опорными магнитными колесами, Опорные магнитные колеса обеспечивают притяжение устройства к поверхности объекта контроля и позволяют устройству перемещаться, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.
Датчик средств неразрушающего контроля включает намагничивающую систему в виде поляризующего элемента - одного постоянного магнита и излучающий и приемный первичные электромагнитно-акустические (ЭМА) преобразователи (катушки, намотанные на оправку). Электронный блок, выполнен с возможностью подключения шаговых электродвигателей и включает предусилитель, выполненный с возможностью подключения одного или нескольких ЭМА преобразователей. Электронный блок соединен 15 метровым проводом с видеоконтрольным блоком, состоящим из генератора зондирующих импульсов, АЦП, источника питания, видеоконтрольного устройства. Видеоконтрольное устройство выполнено в виде персонального компьютера со встроенным математическим сопроцессором.
Система для ультразвукового контроля труб и сосудов работает следующим образом. Шасси перемещается вдоль поверхности объекта контроля, удерживаясь при этом с помощью опорных магнитных колес. Излучающий ЭМА преобразователь генерирует в теле объекта контроля бегущую ультразвуковую волну, которая, отражаясь от дефектов, преобразуется в электрический сигнал приемным ЭМА преобразователем. Этот сигнал усиливается предусилителем и подается по 15 метровому проводу на видеоконтрольный блок, где он оцифровывается и анализируется оператором на экране видеоконтрольного устройства.
К недостаткам данного устройства относится ограниченный диапазон измеряемых толщин стенок объекта контроля - до 13 мм. Это является следствием применения в устройстве объемных волн Лэмба, обладающих большой дисперсией. Недостатком также является использование длинного провода для связи электронного и видеоконтрольного блоков, и как следствие, расположение на расстоянии генератора зондирующих импульсов и излучающих ЭМА преобразователей. Все это приводит к большим электрическим потерям между генератором зондирующих импульсов и излучающими ЭМА преобразователями, а также не дает возможности увеличения напряжения и силы тока в катушках излучающих ЭМА преобразователей ввиду вероятности электрического пробоя в проводе и потенциальной опасности для персонала. Еще один недостаток - применение магнитных колес для притяжения устройства к поверхности объекта контроля. На них скапливается грязь и мелкие металлические частицы, что вынуждает оператора производить регулярную чистку колес и вызывает дополнительные трудности при эксплуатации данного устройства.
Таким образом, известный сканирующий дефектоскоп имеет ограниченный диапазон измеряемых толщин стенок объекта контроля, а также не обеспечивает необходимой чувствительности контроля тела трубы газо- и нефтепровода ввиду высокой дисперсии объемных волн Лэмба, применяемых в устройстве, больших электрических потерь между генератором зондирующих импульсов и излучающими ЭМА преобразователями, а также ввиду невозможности увеличения напряжения и силы тока в катушках излучающих ЭМА преобразователей и тем самым не обеспечивают эффективное обнаружение дефектов потери металла и растрескиваний в стенках труб газо- и нефтепроводов.
В основу полезной модели положена задача увеличения диапазона измеряемых толщин стенок объекта контроля, повышения чувствительности и скорости контроля тела трубы газо- и нефтепровода, при снижении массы и потребляемой электроэнергии, и улучшении маневренности сканирующего дефектоскопа.
Поставленная задача решается тем, что в сканирующем дефектоскопе, включающем укрепленные на раме шасси датчик средств неразрушающего контроля с намагничивающей системой и излучающим и приемным первичными электромагнитно-акустическими преобразователями и электронный блок с предусилителем, источник питания, видеоконтрольное устройство, генератор зондирующих импульсов и АЦП, согласно полезной модели, намагничивающая система выполнена в виде сердечника в форме параллелепипеда из магнитомягкой стали, на каждой нерабочей поверхности которого установлен высокоэнергетичный магнит так, чтобы одноименные полюса магнитов были направлены внутрь сердечника, а на его рабочей поверхности укреплены излучающий и приемный первичные электромагнитно-акустическими преобразователи, при этом, генератор зондирующих импульсов, видеоконтрольное устройство, источник питания и АЦП размещены в электронном блоке, и рама шасси установлена на двух мотор-колесах, на расстоянии 10-20 мм от опорной поверхности этих колес.
При этом
- сердечник намагничивающей системы датчика средств неразрушающего контроля может быть выполнен из пермендюра, беспримесного железа или любого другого материала с большой намагниченностью насыщения;
- в качестве сердечника намагничивающей системы датчика средств неразрушающего контроля может быть использован постоянный магнит с высокой величиной остаточной намагниченности и большой коэрцитивной силой;
- в качестве высокоэнергетичного магнита может быть взят магнит NdFeB или SmCo.
Физическая сущность заявляемого сканирующего дефектоскопа заключается в том, что выбранная конфигурация намагничивающей системы и направление поля, создаваемого ей, при поднесении ее рабочей поверхности к трубе, обеспечивает нормальное к поверхности намагничивание материала объекта контроля, например тела трубы газо- и нефтепровода, индукцией более 1,2 Тл под рабочей поверхностью намагничивающей системы. Это позволяет с большой эффективностью излучать и принимать поверхностные ультразвуковые волны Релея ЭМА способом на длинномерных ферромагнитных объектах с любой толщиной стенки.
Выполнение намагничивающей системы датчика средств неразрушающего контроля в виде сердечника в форме параллелепипеда из магнитомягкой стали, на каждой нерабочей поверхности которого установлен высокоэнергетичный магнит так, чтобы одноименные полюса магнитов были направлены внутрь сердечника, а на рабочей поверхности укреплены излучающий и приемный первичные ЭМА преобразователи, позволяет сделать сканирующий дефектоскоп компактным и легкими при высоком намагничивающем поле. За счет сильного притяжения к поверхности объекта контроля, намагничивающая система обеспечивает также и притяжение сканирующего дефектоскопа к поверхности объекта контроля. Это снижает энергопотребление. Кроме того, использование в заявляемом сканирующем дефектоскопе двух немагнитных мотор-колес с раздельным управлением увеличивает маневренность и упрощает эксплуатацию, так как к ним, в отличие от магнитных колес, не прилипает ферромагнитная стружка и пыль и не требуется периодическая очистка.
Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в создании нормального к поверхности объекта контроля постоянного магнитного поля с индукцией более 1,2 Тл для эффективного излучения и приема поверхностных ультразвуковых волн Рэлея ЭМА способом, а также для притяжения устройства к поверхности контролируемого объекта, и обеспечивает тем самым расширение диапазона измеряемых толщин стенок объекта контроля, повышение чувствительности и скорости контроля тела трубы газо- и нефтепровода при снижении массы дефектоскопа и потребляемой электроэнергии, и улучшении маневренности устройства.
На фиг. 1 представлен общий вид сканирующего дефектоскопа;
на фиг. 2 - разрез по А-А.
Сканирующий дефектоскоп (фиг. 1) включает датчик 1 средств неразрушающего контроля, состоящий из намагничивающей системы 2, излучающего и приемного первичных ЭМА преобразователей 3 и 4 соответственно, и электронный блок 5, установленные на раме шасси 6, которое снабжено двумя мотор-колесами 7. Мотор-колесо 7 представляют собой агрегат, объединяющий колесо и, встроенные в него, тяговый электродвигатель, силовую передачу и тормозную систему (таким образом, каждое мотор-колесо имеет индивидуальный привод).
Намагничивающая система 2 располагается на расстоянии 10-20 мм от опорной поверхности мотор-колес 7 и представляет собой сердечник в форме параллелепипеда из магнитомягкой стали на каждой нерабочей поверхности которого установлен высокоэнергетичный магнит так, чтобы одноименные полюса магнитов были направлены внутрь сердечника, а на рабочей поверхности укреплены излучающий и приемный первичные ЭМА преобразователи, 3 и 4 соответственно.
Излучающий и приемный первичные ЭМА преобразователи 3 и 4 выполнены в виде каркаса с намотанной на него катушкой в форме меандра. Сигнал в излучающем и приемной первичных ЭМА преобразователях 3 и 4, согласуется с электронным блоком 5, включающем в себя источник питания 8, видеоконтрольное устройство 9, генератор 10 зондирующих импульсов, АЦП 11 и предусилитель 12. Видеоконтрольное устройство 9 выполнено в виде персонального компьютера со встроенным математическим сопроцессором.
Сканирующий дефектоскоп работает следующим образом.
При помещении на поверхность объекта 13 контроля, намагничивающая система 2 датчика 1 неразрушающего контроля, расположенного на раме шасси 6, создает постоянное подмагничивающее поле, направленное по нормали к поверхности объекта 13 контроля, которое так же притягивает сканирующий дефектоскоп к поверхности объекта 13 контроля и позволяет использовать всего два мотор-колеса 7.
С генератора 10 зондирующих импульсов посылают электрический сигнал на первичный излучающий ЭМА преобразователь 3, с помощью которого сигнал преобразуется в бегущую в металле поверхностную ультразвуковую волну Рэлея, которая, отражаясь от дефектов, преобразуется в электрический сигнал приемным ЭМА преобразователем 4. Этот сигнал поступает на вход предусилителя 12 и АЦП 11 электронного блока 5, а затем регистрируется видеоконтрольным устройством 9.
В процессе перемещения сканирующего дефектоскопа вдоль газо- или нефтепровода излучающий первичный ЭМА преобразователь 3 возбуждает акустические колебания, которые распространяются по стенке газо- или нефтепровода, отражаются от дефектов и продольных сварных швов и регистрируются приемным первичным ЭМА преобразователем 4. Полученный сигнал усиливается, оцифровывается и преобразуется в А-скан. При перемещении сканирующего дефектоскопа вдоль трубы (по образующей линии цилиндрической поверхности), полученный массив А-сканов объединяется в С-скан. Таким образом, контролируется весь основной металл газо- или нефтепровода всего за один проход сканирующего дефектоскопа вдоль трубы.
Сканирующий дефектоскоп позволяет с большей чувствительностью выявить дефекты потери металла и растрескивания в теле объекта контроля, например в теле трубы газо- и нефтепровода при увеличении диапазона измеряемых толщин стенок объекта контроля. Кроме того, процесс сканирования с помощью этого дефектоскопа осуществляется с высокой скоростью и в режиме реального времени.