СИСТЕМА ПОПЕРЕЧНОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ ДЛЯ ВНУТРИТРУБНОГО ДЕФЕКТОСКОПА
TRANSVERSE MAGNETISATION SYSTEM FOR AN IN-TUBE FLAW DETECTOR

Область техники
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к магнитной дефектоскопии, и может быть использовано при разработке устройств для неразрушающего контроля трубопроводов, а именно магнитной системы внутритрубного дефектоскопа.
Уровень техники
Из уровня техники известен патент RU 111299 U1 «Внутритрубный магнитный дефектоскоп с поперечным намагничиванием (варианты)» (Патентообладатель: ЗАО Научно-производственное объединение «Спектр», ЗАО «Научно-производственное объединение «Спецнефтегаз» (RU)), опубликовано 10.12.2011, в котором раскрыта полезная модель, относящаяся к устройствам для наблюдения за состоянием трубопроводов большой протяженности, а именно для определения дефектов магистральных нефтегазопродуктопроводов путем пропуска внутри обследуемого трубопровода диагностического снаряда, записи в бортовом компьютере данных и последующего определения параметров дефектов трубопровода по накопленным данным.
у
Внутритрубный магнитный дефектоскоп с поперечным намагничиванием, выполненный в виде секции, содержит корпус (ярмо), на торцах которого расположены опорно-двигательные элементы, намагничивающую систему, выполненную в виде установленных на корпусе двух намагничивающих поясов из радиально намагниченных постоянных магнитов, на полюсах которых закреплены магнитные щетки из магнитомягкого материала, каждый из намагничивающих поясов разбит на магнитные модули поперченного намагничивания, образованные двумя разнополярными блоками (полюсами), причем, внутри магнитного модуля выполнено отверстие - межполюсное пространство, которое образует измерительную зону. Магнитные модули равномерно расположены по периметру намагничивающего пояса, причем намагничивание в соседних магнитных модулях разнонаправленное. Магнитные модули одного намагничивающего пояса 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 датчики магнитного поля, измеряющих компоненту магнитного поля Н перпендикулярную образующей трубы.
Дополнительно в устройство введены датчики направления магнитного поля, измеряющие угол α между направлением вектора магнитного поля и направлением перпендикулярным образующей трубы, причем датчики направления магнитного поля чередуются в измерительной зоне с датчиками магнитного поля. В качестве датчиков направления магнитного поля используются тонкопленочные магниторезистивные датчики, либо другие датчики, измеряющие направление вектора магнитного поля.
Известен также патент RU 40804 U1 «Внутритрубный магнитный дефектоскоп (варианты)» (Патентообладатель: ООО «Научно-технический центр «Нефтегазспецпроект» (RU)), опубликовано 27.09.2004, в котором речь идет о полезной модели, которая относится к внутритрубному магнитному контролю состояния стенок нефтегазопродуктопроводов.
Известный дефектоскоп содержит секции как для продольного, так и для поперечного намагничивания. Каждая из этих секций содержит систему намагничивания с постоянными магнитами и упругими щетками из стальной проволоки. Данные системы намагничивания создают в стенке трубы магнитное поле насыщения, которое рассеивается дефектами сплошности стенок трубы. Поля рассеяния регистрируются преобразователями магнитного поля, которые выполнены на основе элементов Холла. Преобразователи Холла крепятся к полозам, скользящим по внутренней поверхности трубы и прижимаемым к ней упругими рычагами. Преобразователи, расположенные на секции продольного намагничивания, измеряют продольную, а на секции поперечного намагничивания - соответственно поперечную составляющую магнитного поля. Кроме того, дефектоскоп содержит кольцо преобразователей магнитного поля, измеряющих радиальную составляющую магнитного поля.
Данные от преобразователей магнитного поля после аналого-цифрового преобразования записываются на носитель данных вместе с информацией от одометрических датчиков, датчиков давления и температуры.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является «Магнитная система поперечного намагничивания с фиксированными магнитными модулями для внутритрубного дефектоскопа», раскрытая в патенте на полезную модель RU 147368 U1 (Патентообладатель: ПАО «Транснефть», АО «Транснефть-Диаскан» (RU)), опубликовано 10.11.2014, МПК: G01N 27/83.
Известная полезная модель относится к области магнитной дефектоскопии, к устройствам для неразрушающего контроля трубопроводов и касается магнитной системы внутритрубного дефектоскопа.
Магнитная система поперечного намагничивания с фиксированными магнитными модулями для внутритрубного дефектоскопа состоит из двух основных и четырех дополнительных поясов магнитных модулей, установленных на двух магнитопроводах, соединенных немагнитной вставкой. Каждый магнитный модуль состоит из постоянных магнитов и элементов из ферромагнитного материала, передающих магнитный поток в стенку трубопровода. Соседние в поясе магнитные модули имеют встречное направление магнитного поля в межполюсном пространстве. Основные полюса магнитных модулей расположены с угловым смещением относительно друг друга на угол ср: ϕ=180°/N, где N - число магнитных модулей в одном поясе. Между магнитными полюсами вдоль всей длины окружности трубопровода установлены датчики, регистрирующие любое изменение магнитной индукции, вызванное изменением толщины стенки трубопровода.
По краям основных поясов магнитных модулей установлены дополнительные пояса магнитных модулей, при этом два дополнительных пояса магнитных модулей расположены между основными поясами магнитных модулей и служат для компенсации взаимного влияния магнитного поля основных поясов магнитных модулей и для уменьшения несимметричности магнитного поля, которая вызвана близким расположением основных поясов магнитных модулей. Каждый дополнительный пояс магнитных модулей, для исправления несимметричности поля, имеет угловое смещение относительно основного магнитного пояса на угол α<90°.
Для уменьшения погрешности материал трубопровода намагничен до состояния технического насыщения, так как с увеличением намагниченности уменьшаются собственные шумы материала трубопровода и чувствительность измерительной системы дефектоскопа к материалу трубопровода.
В развитии полезной модели магнитная система поперечного намагничивания с фиксированными магнитными модулями для внутритрубного дефектоскопа может быть выполнена как односекционной, так и многосекционной, при этом состоять из двух основных и более, и четырех и более дополнительных поясов магнитных модулей, установленных на двух и более магнитопроводах, при этом немагнитная вставка заменена карданнным соединением.
Магнитная система поперечного намагничивания в наиболее близком аналоге состоит из цельного магнитопровода, на котором закреплены постоянные магниты и щетки из стальной проволоки. Магнитный поток постоянных магнитов замыкается с одной стороны магнитопроводом и щетками, с другой стороны стенкой диагностируемой трубы. Т.к. при поперечном намагничивании отсутствует осевая симметрия, то поле из межполюсного промежутка стремится к растеканию. Это приводит к уменьшению напряженности и увеличению неоднородности поля, что негативно сказывается на точности и качестве диагностики. Для уменьшения растекания наряду с основными магнитами применяют дополнительные (выравнивающие, замыкающие) магниты. Дополнительные магниты не позволяют полю растекаться, благодаря этому увеличивается напряженность поля и увеличивается равномерность. Недостаток такой системы - высокое магнитное сопротивление щетины щеток, которое ограничивает передаваемый в трубу магнитный поток. Такое решение подходит для трубопроводов большого диаметра, и неприменимо для диагностики толстостенных трубопроводов малого диаметра.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является разработка системы поперечного намагничивания для внутритрубного дефектоскопа, обеспечивающей прохождение дефектоскопом поворотов и сужений в толстостенных трубопроводах малого диаметра с одновременным созданием в диагностируемой области стенки трубы необходимой напряженности магнитного поля.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности диагностики толстостенного трубопровода малого диаметра.
Совокупность существенных признаков, достаточная для достижения указанного технического результата и определяющая объем правовой охраны предлагаемого изобретения, включает систему поперечного намагничивания для внутритрубного дефектоскопа, содержащую магнитный блок, включающий защитный корпус с установленным в нем постоянным магнитом, закрепленные на противолежащих в поперечном направлении концах защитного корпуса полюсные наконечники с магнитными щетками, закрепленными на щеточных пластинах, установленные в межполюсном пространстве датчики магнитного поля, установленные на торцах защитного корпуса опорно-двигательные элементы. Каждая из магнитных щеток содержит основную часть в центральной области магнитной щетки, и дополнительные части по противоположным в продольном направлении краям магнитной щетки. При этом незакрепленные концы щетин магнитных щеток формируют поверхность, радиус изгиба которой равен радиусу внутренней поверхности трубопровода, а каждая из щеточных пластин, на которых закреплен один из концов щетин магнитных щеток, выполнена изогнутой, причем отношение радиуса изгиба щеточной пластины к радиусу внутренней поверхности трубопровода выбрано из диапазона 1,15-1,7.
Заявленная система поперечного намагничивания для внутритрубного дефектоскопа поясняется чертежами (фиг. 1-2), на которых показаны: фиг. 1 (а, б, в, г) - магнитная система поперечного намагничивания, фиг. 2 - магнитная система в составе секции поперечного намагничивания.
На фиг. 1, 2 позициями обозначены:
1 - полюсный наконечник;
2 - постоянный магнит;
3 - основание щеточной пластины;
4 - датчики магнитного поля;
5 - защитный корпус магнитного блока;
6 - направление намагничивания;
7 - магнитные щетки;
8 - основная часть магнитной щетки;
9 - дополнительная часть магнитной щетки;
10 - межполюсное пространство;
11 - опорно-двигательные элементы;
12 - карданное соединение.
Заявляемое изобретение описывает систему поперечного намагничивания для внутритрубного дефектоскопа, и предназначено для диагностики состояния толстостенных трубопроводов малого диаметра для транспортировки газа, нефти и нефтепродуктов, толщина стенки трубы которых находится в диапазоне от 8 до 15 мм, а наружный диаметр - от 159 до 377 мм. Система поперечного намагничивания (фиг. 1) содержит магнитный блок с постоянным магнитом 2, полюсные наконечники 1 с магнитными щетками 7 и датчики 4 магнитного поля.
Магнитный блок включает в себя защитный корпус 5 с установленным в нем радиально намагниченным постоянным магнитом 2 Н-образной формы в горизонтальной проекции. Защитный корпус 5 охватывает постоянный магнит 2 со стороны граней, параллельных направлению намагничивания 6 и выполнен из немагнитного материала. Предлагаемая конструкция магнитного блока в отличие от наиболее близкого аналога не имеет магнитопровода, а основные и дополнительные магниты обоих полюсов заменены одним постоянным магнитом 2, размеры и конфигурация которого позволяют обеспечить в стенке диагностируемого толстостенного трубопровода малого диаметра магнитное поле насыщения, величина напряженности которого в области датчиков магнитного поля не менее 6 кА/м.
На противолежащих концах защитного корпуса 5 в поперечном относительно оси трубопровода направлении закреплены полюсные наконечники 1 с магнитными щетками 7 из магнитомягкого материала, в преимущественном варианте выполнения изобретения - стали. Магнитные щетки 7 закреплены на основании щеточных пластин 3. Каждая из магнитных щеток 7 содержит основную часть 8 в центральной части магнитной щетки 7, и дополнительные части 9 по противоположным краям магнитной щетки 7 в продольном относительно оси трубопровода направлении. Магнитные щетки 7 выполнены упругими за счет того, что их щетины представляют собой канатообразно скрученный пучок отрезков проволоки, преимущественно стальной.
Щеточные пластины в горизонтальной проекции имеют Н-образную форму, повторяющую форму постоянного магнита 2. Каждая из щеточных пластин, на которых закреплен один из концов щетин магнитных щеток 7, выполнена изогнутой. При этом незакрепленные концы щетин магнитных щеток 7 каждой из щеточных пластин формируют поверхность, радиус изгиба которой равен радиусу внутренней поверхности трубопровода. Причем отношение радиуса внутренней поверхности трубопровода к радиусу наружной поверхности основания щеточной пластины 3 к выбрано из диапазона 1,15-1,7. При отношении радиусов менее 1,15 значительная жесткость щетин в основной части 8 магнитной щетки, связанная с уменьшением их длины в этой области, будет увеличивать сопротивление движению секции поперечного намагничивания при прохождении сужений и поворотов трубопровода. Кроме того, отношение радиусов менее 1,15 приведет к конструктивно обусловленному уменьшению ширины постоянного магнита 2 в области дополнительной части 9 магнитных щеток, что не позволит создать требуемую напряженность магнитного поля в стенке трубы.
При отношении радиусов более 1,7 значительная длина щетин в основной части 8 магнитной щетки будет создавать значительное сопротивление магнитному потоку, и как следствие не позволит создать требуемую напряженность магнитного поля в стенке трубы. При этом в диапазоне 1,15-1,7 соотношение длин щетин в основной 8 и дополнительных частях 9 магнитных щеток будет оптимальным для достижения заявленного технического результата.
Таким образом, длина щетин магнитных щеток 7, закрепленных на щеточных пластинах, в основной части 8 магнитной щетки больше, чем в дополнительных частях 9 магнитных щеток, что необходимо для облегчения прохождения сужений и поворотов трубопровода. Указанные выше конфигурация щеточных пластин и различия длины щетин позволяют предотвратить растекание магнитного поля и обеспечить оптимальную жесткость щетин при прохождении сужений и поворотов в толстостенных трубопроводах малого диаметра. Это позволяет повысить точность диагностики толстостенного трубопровода малого диаметра.
В межполюсном пространстве 10 (фиг. 2), образующем измерительную зону, установлены упруго прижимаемые к стенкам трубопровода подпружиненными рычагами датчики 4 магнитного поля, измеряющие индукцию магнитного поля. В преимущественном варианте осуществления изобретения, в качестве датчиков 4 магнитного поля использованы преобразователи магнитного поля на основе элементов Холла. На переднем и заднем торцах защитного корпуса 5 установлены опорно-двигательные элементы 11, которые в частном случае выполнения могут представлять собой полиуретановые манжеты, снабженные устройством карданного соединения 12.
Заявленная система работает следующим образом.
Заявленная система поперечного намагничивания используется для намагничивания стенки трубопровода в поперечном относительно оси трубопровода направлении, с целью выявления дефектов трубопровода по изменению (утечке) магнитного поля в области дефектов стенки трубопровода. Эта система входит в состав магнитного дефектоскопа и может работать как совместно с магнитной системой продольного намагничивания, так и отдельно при условии комплектования блоком сбора информации. Дефектоскоп запасовывается в диагностируемый трубопровод и под действием давления продукта перекачки, аналогично поршню, перемещается вдоль трубопровода. Датчики магнитного поля 4, расположенные в межполюсном пространстве 10 системы поперечного намагничивания, измеряют значение электромагнитной индукции около внутренней поверхности стенки трубопровода и регистрируют изменение магнитного поля в области дефектов.
В отличии от системы продольного намагничивания, система поперечного намагничивания предназначена преимущественно для выявления дефектов, вытянутых вдоль оси трубопровода (трещины, риски). Для диагностики по полной окружности используются две идентичные магнитные системы поперечного намагничивания, повернутые друг относительно друга вокруг оси на 90°. Предлагаемая система за счет магнитов большего объема позволяет создать достаточную напряженность магнитного поля в стенке трубопровода, что в свою очередь позволяет диагностировать дефекты в толстостенных трубопроводах малого диаметра (159-377 мм). Диагностика подобных трубопроводов системами поперечного намагничивания из уровня техники не выявлена.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности диагностики толстостенного трубопровода малого диаметра за счет создания системы поперечного намагничивания для внутритрубного дефектоскопа, обеспечивающей требуемую напряженность магнитного поля в стенке трубы.