ВНУТРИТРУБНЫЙ ДЕФЕКТОСКОП
IN-TUBE FLAW DETECTOR

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к устройствам для внутритрубной диагностики состояния стенок труб газо-, нефте-, продуктопроводов, и может быть использовано при диагностике действующих газопроводов.
Известен внутритрубный магнитный дефектоскоп (Номер публикации 2176082 RU, регистрационный номер заявки 200013532/28, G01N 027/83).
Дефектоскоп имеет металлический корпус, двухполюсную намагничивающую систему с двумя кольцевыми магнитными полюсами с полюсными наконечниками в виде ферромагнитных щеток, многоэлементную кольцевую систему датчиков магнитного поля. средства измерения, обработки и регистрации данных измерения, средства счисления пути.
Недостатком известного устройства является зависимость чувствительности магнитной поисковой системы от толщины стенки трубы.
При переходе дефектоскопа из трубы с толстой стенкой в трубу с тонкой стенкой или наоборот напряженность магнитного поля в стенке трубы изменяется, то есть изменяется намагниченность стенки трубы. Изменение намагниченности стенки трубы при изменении толщины стенки приводит к снижению уровня сигнала от дефектов одинаковых относительно толщины стенки трубы размеров. Это приводит к затруднению интерпретации магнитограмм при изменении толщины стенок труб на разных участках одного и того же трубопровода.
Известна также «Магнитная система внутритрубного дефектоскопа» (RU 2293314 C1, G01N 27/83, Попович A.M., Костин М.Д., Лисин С.Е. Магнитная система внутритрубного дефектоскопа. Публ. 10.02.2007). Магнитная система содержит источник постоянного магнитного поля в виде двух постоянных магнитов, расположенных аксиально. Обращенные к друг другу полюса магнитов имеют противоположную полярность. Внешние полюса магнитов соединены с магнитопроводами. Магнитопроводы выполнены в виде дисков. На боковой поверхности магнитопроводов закреплены щетки с возможностью их механического контакта с внутренней поверхностью трубы. Со стороны полюсов магнитов магнитопроводы содержат устройства регулировки напряженности магнитного поля. Между противолежащими полюсами постоянных магнитов установлен упругий магнитопроницаемый элемент, служащий для прижатия каждого магнита к соответствующему устройству регулировки напряженности магнитного поля.
2
Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения требуемой высокой степени магнитного насыщения стенки трубы малого диаметра с большой толщиной стенки. Например, труба Дн=168 мм, стенка 15 мм имеет поперечное сечение стали S=72 см.
Внутренний диаметр трубы 138 мм. В соответствии с принятыми нормами минимальное сужение диаметра трубы, которое должен преодолеть дефектоскоп, должно составлять 0.85 Двн=0.85·138=117 мм. В средней части намагничивающей системы должны быть размещены датчики в специальных держателях. Положим, что толщина держателя с датчиком будет обеспечена 10 мм. Так как датчики располагаются по внутренней окружности трубы, то для прохождения узкости диаметр магнитов должен быть 117-2·10=97 мм.
2
2
2
Поперечное сечение магнитов будет создавать намагничивающий трубу поток. Сечение магнитов 8 м в этом случае будет Sм=π·Dм/4=π·97/4=74 см. Магнитный поток Фм, создаваемый магнитами, должен превышать поток, требуемый для создания индукции насыщения в стенке трубы, то есть должно выполняться требование Фтр<Фм или Втр·Sтр<Вм·Sм.
Для успешного проведения магнитного контроля стенки трубы она должна быть намагничена до насыщения со значением магнитной индукции Втр не менее 1.7 Тл.
Следовательно, в трубе должен быть магнитный поток
2
Фтр=1.7·72=122.4 Тл·см.
Остаточная индукция магнитов неодим-железо-бор в диапазоне температур от минус 20°С до 60°С обычно не превышает 1.2 Тл (для магнитов N35). Если допустить, что магнит в рабочем режиме создаст индукцию Вм=1.2 Тл, то поток магнитов будет
2
Фм=1.2·74=88.8 Тл·см.
Таким образом, магнитного потока постоянных магнитов при их аксиальном размещении в дефектоскопе для диагностики труб малого диаметра с толстой стенкой будет недостаточно.
Такое устройство не обеспечит возможности диагностирования труб малого диаметра с толстой стенкой. В этом недостаток известного устройства.
Наиболее близким к предлагаемому является Внутритрубный снаряд - дефектоскоп (RU 95112180, 1997.06.20, G01N 27/82, Бакурский Н.Н., Рузляев А.К. Внутритрубный снаряд - дефектоскоп), состоящий из герметичного цилиндрического полого стального корпуса, двух эластичных манжет, намотанной на наружную поверхность корпуса катушки электромагнита, полюсных наконечников в виде стальных щеток в головной и хвостовой частях корпуса, датчиков фонового магнитного поля между щетками, датчиков поля рассеивания дефектов, датчиков пройденного пути, датчиков угла поворота корпуса вокруг продольной оси, аккумулятора, электронной аппаратуры и регистрирующей аппаратуры, суммирующего усилителя с регулируемым усилением, генератора пилообразного напряжения со стабилизированным источником электрического тока, компаратора, транзистора.
Недостатком известного устройства является большое энергопотребление из-за необходимости обеспечения большого тока в катушки намагничивающего. Это приводит к увеличению габаритов и массы внутритрубного дефектоскопа.
Цель изобретения - уменьшение энергопотребления дефектоскопа при поддержании постоянной величины напряженности магнитного поля в стенке обследуемого трубопровода независимо от изменений ее толщины.
Указанная цель достигается тем, что во внутритрубный дефектоскоп, состоящий из герметичного цилиндрического полого стального корпуса, двух опорно-тянущих эластичных манжет, системы стабилизации величины намагничивания стенки трубы, намагничивающей системы с набранным из брусков магнитопроводом с постоянными магнитами на концах брусков и полюсными наконечниками в головной и хвостовой частях магнитной системы, датчиков магнитного поля между полюсами магнитной системы, датчиков пройденного пути, датчиков угла поворота корпуса вокруг продольной оси, аккумулятора, электронной аппаратуры сбора и обработки информации, регистрирующей аппаратуры, сравнивающего устройства (компаратора), введены несколько подвижных ферромагнитных стержней, соединительная рама, электродвигатель, редуктор оборотов, преобразователь вращательного движения в поступательное, электронное устройство-формирователь среднего значения сигналов датчиков поля, задатчик уровня требуемого магнитного поля, электронный узел управления электроприводом, причем намагничивающее устройство выполнено в виде набора стальных магнитопроводов в форме брусков прямоугольного сечения с открытой с одного из торцов полостью в каждом бруске, в полость каждого бруска одним концом вставлен соответствующий подвижный ферромагнитный стержень, второй конец каждого из которых прикреплен к немагнитной раме, жестко соединенной с гайкой преобразователя вращательного движения в линейное перемещение, внутрь гайки одним концом вставлен винт - преобразователя вращательного движения в линейное перемещение, а второй конец винта укреплен на выходном валу редуктора оборотов, входной вал которого соединен с валом электродвигателя, управляющие обмотки которого подключены к выходу электронного узла управления электроприводом, вход которого подключен к выходу сравнивающего устройства, один из входов которого соединен с выходом задатчика уровня требуемого магнитного поля, а второй вход соединен с выходом устройства-формирователя среднего значения сигналов датчиков поля, множество входов которого соединено с выходом каждого соответствующего датчика магнитного поля, выход каждого из которых соединен также с соответствующим входом регистрирующей аппаратуры, а выходы датчиков пути и угла поворота корпуса вокруг продольной оси соединены с соответствующими входами регистрирующей аппаратуры.
Рассматриваемое техническое устройство востребовано практикой, так как при обследовании газопроводов наблюдается изменение толщины стенки трубы (в охранной зоне, на переходах под дорогами стенка толще, чем на остальных участках трассы газопровода), что затрудняет анализ магнитограмм при интерпретации результатов диагностики.
Применение намагничивающей системы предлагаемой конструкции в снарядах-дефектоскопах позволит повысить качество получаемых диагностических данных и упростить анализ магнитограмм, повысить качество результатов диагностики, снизить субъективные ошибки в интерпретации.
Это является подтверждением того, что предлагаемое устройство промышленно применимо.
Изобретение поясняется чертежами.
Один из примеров возможного исполнения устройства приведен на Фиг.1.
Устройство состоит из гермоконтейнера 1, тянущей манжеты 2, опорной манжеты 3, многоблочного магнитопровода, составленного из брусков 4, постоянных магнитов 5.1 и 5.2, полюсных наконечников в виде, например, стальных щеток 6.1 и 6.2, датчиков магнитного поля 7, размещенных в соответствующих держателях 8, блока питания 9, устройства сбора датчиковой информации 10, устройства счисления пути и пространственных координат 11, регистратора данных 12, формирователя среднего значения сигналов датчиков поля 13, сравнивающего устройства 14, задатчика желаемого уровня поля 15, электронного устройства управления электроприводом 16, электродвигателя 17, редуктора оборотов 18, винта 19 преобразователя вращательного движения в поступательное, гайки 20 преобразователя вращательного движения в поступательное, рамы 21, ферромагнитных стержней 22. Труба обозначена номером 23.
Работает устройство следующим образом.
Устройство вводится в стандартную камеру запуска очистных поршней (не показана) и проталкивается в узкую ее часть до входа тянущей манжеты 2 в цилиндрическую часть трубы 23. После нарастания давления в камере до заданного предела происходит включение питания бортовой аппаратуры внутритрубного дефектоскопа. С окончанием выравнивания давлений в камере запуска и магистральном трубопроводе открывается отсечной кран, повышается давление в камере запуска и перепад давления на тянущей манжете 2 начинает возрастать.
В тот момент, когда перепад давления на манжете 2 создаст толкающую силу, превышающую силу трения манжет и щеток дефектоскопа о стенки камеры запуска и трубы 23, начнется перемещение дефектоскопа в полость трубопровода (на Фиг.1 показано стрелкой). Камера запуска соединена с трубой, имеющей утолщенную стенку соответственно с требованиями к трубопроводу, расположенному в охранной зоне.
В тот момент, когда дефектоскоп полностью войдет в трубу щетки 6.1 и 6.2 намагничивающей системы дефектоскопа будут касаться стенки трубы 23 и магнитное поле от северного полюса магнитов 5.1 будет распространяться через щетку 6.1 в стенку трубы 23, от стенки трубы 23 в щетку 6.2, далее через южный полюс магнита 5.2 в ярмо 4 магнитопровода магнитной системы и по ярму 4 параллельно по части ярма и по стержням 22 возвращается в магнит 5.1. Стенка трубы 23 намагничивается до некоторого уровня. Магнитное поле, рассеиваемое около стенки трубы 23, преобразуется в электрические сигналы датчиками 7, прижатыми держателями 8 к внутренней стенке трубы 23. Сигналы датчиков 7 одновременно поступают на входные цепи регистратора информации 12 и на входные цепи устройства сбора датчиковой информации 10. Сигналы масштабируются устройством сбора датчиковой информации 10 и передаются на устройство усреднения 13. Устройство усреднения 13 формирует сигнал, величина напряжения которого пропорциональна среднему значению сигналов всех датчиков 7. Этот сигнал фильтруется от помех и подается на первый вход сравнивающего устройства 14. На второй вход сравнивающего устройства 14 подается сигнал, пропорциональный желаемому уровню магнитного поля в стенке трубы. Значение желаемого уровня намагничивания стенки трубы вводится в задающее устройство 15 перед запуском при подготовке дефектоскопа к работе. Разница между сигналом среднего значения напряжений с датчиков 7 и напряжением с задающего устройства 15 поступает на вход электронной части 16 электропривода. Подвергнутый коррекции и усиленный сигнал с электронной части 16 электропривода поступает на управляющие обмотки электродвигателя 17. В соответствие с полярностью (фазой) напряжения, поступившего на управляющие обмотки, вал электродвигателя 17 начинает вращаться по или против часовой стрелки. Соединенный с валом двигателя 17 входной вал понижающего обороты редуктора 18, также приходит во вращение. Соединенный с выходным валом редуктора оборотов 18 винт 19 также начинает вращаться. Гайка 20 преобразователя вращательного движения в поступательное движение начнет перемещаться вдоль винта 19 в ту или другую сторону в зависимости от направления вращения электродвигателя 17. Перемещаясь, гайка 20 будет способствовать перемещению жестко связанной с ней рамы 21. К раме 21 прикреплены ферромагнитные стержни 22, размещающиеся в пазах полых частей ферромагнитных брусков магнитопроводов 4. Перемещение рамы 21 приводит к перемещению стержней 22 и изменению степени заполнения железом объема брусков магнитопровода 4. При этом изменяется магнитная проводимость магнитопровода 4, что вызывает изменение магнитного потока в последовательной магнитной цепи, состоящей из первого магнита 5.1, щетки 6.1, участка стенки трубы 23, находящегося между двумя щетками, второй щетки 6.2, второго магнита 5.2, сплошного участка магнитопровода 4, полого участка магнитопровода 4 и полого участка магнитопровода 4 с ферромагнитными стержнями 22.
Если магнитное поле в стенке трубы 23 ниже заданного значения, то система стабилизации поля приведет в движение стержни 22 в сторону уменьшения длины воздушного промежутка в полости брусков магнитопровода 4. Магнитное сопротивление магнитопровода 4 уменьшится и магнитный поток в последовательной магнитной цепи магнит 5.1, щетка 6.1, труба 23, щетка 6.2, магнит 5.2, магнитопровод 4 и магнит 5.1 увеличится. Это вызовет увеличение напряженности магнитного поля в стенке трубы 23 и увеличение выходных сигналов датчиков 7. В тот момент, когда среднее значение напряжений сигналов датчиков 7 окажется равным заданному на задатчике 15 значению, на выходе сравнивающего устройства 14 напряжение станет равным нулю и вал двигателя 17 перестанет вращаться. Стержни 22 останутся внутри брусков магнитопровода 4 в положении, в которое они были перемещены работающим двигателем 17.
Если дефектоскоп будет проходить в трубопроводе участок с трубой, имеющей тонкую стенку, то из-за большого ее магнитного сопротивления повысится напряженность поля, рассеиваемого около внутренней стенки трубы. При этом увеличится величина сигналов датчиков поля 7 и увеличится среднее значение суммарного сигнала. Величина напряжения с выхода задатчика 15 будет ниже среднего значения сигналов от датчиков поля 7. Разность напряжений окажется положительной. Напряжение на выходе электронной части 16 привода будет в полярности, вызывающей направление вращения вала двигателя 17, при котором стержни 22 перемещаются в сторону увеличения длины воздушного промежутка в полостях магнитопроводов 4. Перемещение стержней приведет к увеличению магнитного сопротивления магнитопроводов 4, что вызовет уменьшение напряженности магнитного поля в стенке трубы 23. При достижении полем в стенке трубы 23 требуемого значения разностный сигнал между средним значением суммарного напряжения датчиков 7 и заданным напряжением с задатчика 15 будет близко к нулю, и перемещение стержней 22 в теле брусков магнитопровода 4 прекратится. На участке трубы с увеличенной толщиной стенки трубы процесс будет проходить по такому же алгоритму, только в противоположной к рассмотренному процессу фазе.
Для подтверждения работоспособности предлагаемого устройства приводится графоаналитический расчет магнитной цепи снаряда - дефектоскопа с продольным намагничиванием Ду 168 мм, иллюстрируемый Фиг.2÷Фиг.9.
На Фиг.2 приведены кривые намагничивания В(Н) материала 09Г2С стенки трубы и Ст.3 - материала ярма магнитной системы дефектоскопа.
На Фиг.3 показана линия размагничивания по остаточной индукции постоянного магнита N35 (неодим - желез - бор), используемого в составе намагничивающей системы дефектоскопа.
На Фиг.4 показана линия «Утечка» изменения магнитного потока рассеиваемого по воздуху около боковых поверхностей постоянных магнитов магнитной системы дефектоскопа.
1
2
На Фиг.5 показана кривая изменения магнитного потока Фр=Вр·8р в стенке толщиной t=15 мм трубы Dy=168 мм (сечение стали трубы Sp=0.00721 м, длина средней магнитной линии Lp=145 мм) в зависимости от падения магнитного напряжения в стенке трубы.
2
2
На Фиг.6 показана кривая изменения магнитного потока в стенке толщиной t=7,5 мм трубы Dy=168 мм (сечение стали трубы Sp=0.0036 м, длина средней магнитной линии L=145 мм) в зависимости от падения магнитного напряжения F=L·H в стенке трубы.
На Фиг.7 показана линия изменения магнитного потока Фс=Sс·Вс в ярме сечением Sc=0.00846 м, длиной Lc=160 мм.
2
На Фиг.8 показана линия изменения магнитного потока на участке ярма со сдвинутым на 16 мм сердечником и результирующим сечением стали Sc=0.001 м (длина воздушного промежутка 16 мм). Магнитное сопротивление воздушного промежутка много больше магнитного сопротивления металлической части ярма на этом 16-мм участке, и для упрощения рассуждений в расчет не приняты.
На Фиг.9 показаны два графических решения уравнений распределения магнитных потоков в зависимости от падения магнитных напряжений.
1
2
а) при нахождении дефектоскопа в зоне толстостенной 15 мм трубы диаметром 168 мм - сечение стенки Sp=0.0072 м, длина магнитной линии в зоне намагничивания трубы Lp=145 мм - (линии Тр1, Я1, Сумма 1, Утечка, Рез 1, М) и
2
2
2
в) при нахождении дефектоскопа в зоне тонкостенной 7.5 мм трубы - сечение Sp=0.0036 м, длина магнитной линии Lp=0.145 м - (линии Тр2, Я2, Сумма 2, Утечка, Рез 2, М).
Линия Сум 1 является результатом суммирования кривой Тр1, отображающей магнитные свойства стенки трубы и полюсных наконечников магнитной системы (не показаны) с кривой Я1, отображающей магнитный свойства магнитопровода - ярма магнитной системы при полностью введенных стержнях. Суммирование ведется параллельно оси абсцисс, то есть при постоянных значениях магнитного потока, так как в последовательной магнитной цепи поток одинаков в любом участке цепи.
loss
loss
2
Результирующая линия «Сум 1» суммируется с линией «Утечка», характеризующей изменения магнитного потока утечки у боковых поверхностей магнитов (средняя длина магнитной линии L=3,14 мм, площадь поверхности, принятой за основную для счисления потока утечки, S=0.007473 м). Суммирование производится параллельно линии ординат при постоянных значениях на оси абсцисс, так как цепи параллельны и потоки суммируются при одинаковых значениях магнитодвижущей силы. Полученная линия «Рез 1» отображает значение потока, отбираемого от постоянного магнита. Точка пересечения 1-1 линии «Рез 1» и линии «Магнит» размагничивания магнитов дает искомые значения потока и магнитодвижущей силы магнитов.
Значение падения магнитного напряжения на трубе находится опусканием перпендикуляра из точки 1-1 к линии абсцисс до линии «Сумм 1» (точка 1-2). Из точки 1-2 пересечения сплошной тонкой проецирующей линии с линией «Сумм 1» проводится проецирующая линия параллельно оси абсцисс до пересечения с линией «Тр1». Новая точка пересечения 1-3 характеризует значение падения напряжения на намагничиваемом участке стенки трубы и магнитный поток в стенке. Проекция точки 1-3 на ось абсцисс дает в точке 1-4 значение падения магнитного напряжения F=3664 А. Напряженность магнитного поля на этом участке стенки трубы находим делением величины F на длину L=145 мм средней магнитной линии потока на намагничиваемом участке
По кривой намагничивания материала 09Г2С стенки трубы можно определить значение индукции в стенке трубы В=1.81 Тл.
Допустим, что дефектоскоп переместился на участок, где толщина стенки трубы равна 7.5 мм. Магнитное сопротивление стенки трубы возрастет, так как площадь поперечного сечения Sм стенки трубы уменьшилась. Магнитное сопротивление находится в соответствии с известной из электротехники формулой: ,
м
где L - средняя длина магнитной линии(длина намагничиваемого участка трубы);
µ - магнитная проницаемость материала (по кривой намагничивания);
D - диаметр трубы;
t - толщина стенки трубы.
При изменении магнитного сопротивления увеличивается падение магнитного напряжения в стенке трубы, что при постоянной длине намагничиваемого участка вызывает увеличение напряженности магнитного поля, намагничивающего трубу. Напряженность магнитного поля, рассеиваемого около стенки трубы, также увеличится. Увеличившееся магнитное поле вызовет увеличение напряжения на выходах датчиков 7 и приведет к срабатыванию системы стабилизации магнитного поля, что приводит к перемещению на 16 мм стальных стержней 22 внутри ферромагнитных магнитопроводов 4 магнитной системы. При этом поперечное сечение локального участка магнитопровода 4 уменьшится.
На Фиг.9 показана линия «Сумм 2», являющаяся результатом сложения вдоль оси абсцисс линии «Тр2» магнитных свойств трубы с толщиной стенки 7.5 мм и магнитной характеристики «Я2» ярма с измененными свойствами за счет перемещения внутри стальных блоков магнитопровода стальных сердечников на 16 мм.
Суммарный магнитный поток, отбираемый 7.5 мм стенкой трубы («Сумм 2») плюс поток «Утечка», рассеиваемый около магнитов, отображается линией «Рез 2». Точка 2-1 пересечения линии «Рез 2» с линией «Магнит» определяет поток, отбираемый от магнитов. Опустив из точки 2-1 на линию абсцисс перпендикулярную линию (пунктир на Фиг.9) до ее пересечения с линией «Сумм 2» в точке 2-2, находим величину магнитного потока в последовательной магнитной цепи труба + ярмо. Проецируя точку пересечения 2-2 в сторону оси ординат до пересечения линии проекции с характеристикой «Тр2» трубы 7.5 мм, находим рабочую точку 2-3 материала стенки трубы. Проекция точки 2-3 на ось абсцисс дает точку 2-4, которая лежит рядом с точкой 1-4, характеризовавшей падение магнитного напряжения на трубе толщиной 15 мм. Так как длина намагничиваемого участка трубы со стенкой 7.5 мм не изменилась, то и значение напряженности магнитного поля на этом участке трубы 7.5 мм остается тем же, что и на трубе со стенкой 15 мм толщиной, то есть 252 А/м.
Таким образом, на примере показано, что система стабилизации намагниченности трубы, реализованная в соответствии с предлагаемым техническим решением, способна выполнять указанную в описании цель, то есть поддерживать напряженность в стенке трубы неизменной при изменении толщины стенки трубы с малыми затратами электроэнергии, так как исполнительный двигатель работает кратковременно только при переходе дефектоскопа через границу между трубами с различной толщиной стенок.