Роботизированный дефектоскоп для неразрушающего контроля трубопроводов

Полезная модель относится к области техники неразрушающего контроля трубопроводов и предназначена для использования в сфере энергетики, промышленности и ЖКХ для автоматизированного внутритрубного ультразвукового (УЗ) контроля кольцевых и продольных сварных соединений, и зон термического влияния в трубах диаметром от 400 мм без их вскрытия.
Известен «Способ ультразвукового контроля трубопровода и система для его осуществления» (Патент РФ №2629896, МПК G01N 29/04, дата приоритета 29.09.2016, опубликовано: 04.09.2017), относящийся к ультразвуковому неразрушающему контролю протяженных металлических изделий с использованием транспортной платформы. При перемещении вдоль поверхности трубопровода в пределах заданной области с помощью диагностического устройства возбуждают ультразвуковые колебания, которые в выбранном интервале времени принимают от прошедших по стенкам трубопровода и отраженным от различных нарушений сплошности материала стенок. О наличии и величине дефектов в стенках трубопроводов судят по распределению величины, значения которой равны максимальным значениям амплитуд суммарных сигналов от разных типов акустических волн. Система ультразвукового контроля трубопровода содержит три антенные решетки, установленные на транспортной платформе, на которой находятся все основные электронные устройства системы. Контакт каждого элемента антенных решеток с диагностируемой поверхностью осуществляется через контактные наконечники. Для отображения результатов контроля и передачи команд на систему диагностики используется компьютер, подключенный к вычислительному блоку системы по кабелю или радиоканалу связи.
Недостатком устройства является использование сухого точечного контакта для работы датчиков, представленных антенными решетками. Данный способ возбуждения и приема УЗ колебаний требует специальной подготовки поверхности объекта контроля, что затрудняет практическое использование данного способа диагностики трубопроводов, увеличивает время, необходимое для проведения контроля, и может повреждать защитное покрытие металла труб.
Известно «Устройство для автоматизированного ультразвукового контроля сварных соединений» (Патент РФ №177780, МПК G01N 29/04, дата приоритета 21.11.2017, опубликовано: 12.03.2018). Устройство представляет собой самодвижущуюся установку, содержащую несущую раму, на которой закреплены: датчик пути, электронный блок, устройство подвески акустических преобразователей с фазированными антенными решетками и одноэлементными пьезоэлектрическими преобразователями, а также блок подачи контактной жидкости. Для возбуждения УЗ волн на поверхности трубы электронный блок формирует электрические сигналы, возбуждает колебания в акустических преобразователях, принимает, усиливает и осуществляет аналого-цифровое преобразование сигналов, пришедших с акустических преобразователей, сохраняет для дальнейшей обработки и визуализации результатов контроля. Передача информации результатов диагностирования происходит по радиоканалу связи на внешний персональный компьютер для последующей обработки. Устройство подвески обеспечивает взаимное расположение акустических преобразователей и их постоянный прижим к поверхности объекта контроля.
Использование сразу нескольких акустических преобразователей с фазированными антенными решетками и одноэлементных пьезоэлектрических преобразователей является недостатком в данном случае, так как существенно усложняет и удорожает конструкцию устройства, а также снижает ее надежность. Также к недостаткам следует отнести: применение контактной жидкости, что требует предварительной подготовки металла трубопровода; отсутствие возможности получения диагностических данных в интерактивном режиме.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели и выбранной в качестве прототипа является полезная модель «Автоматизированная установка ультразвукового контроля» (Патент РФ №2629687, МПК G01N 29/07, дата приоритета 10.06.2016, опубликовано: 31.08.2017), которая предназначена для дефектоскопии магистральных трубопроводов. Установка содержит блок перемещения, акустический блок, а также закрепленные на несущей балке электронный блок, блок питания и баки контактной жидкости. Блок перемещения включает в себя ведущую и ведомую намагниченные колесные пары, привод передвижения, блок управления приводом передвижения, датчик пути, жестко скрепленный с ведомой колесной парой. Акустический блок включает в себя акустические преобразователи с фазированными решетками, а электронный блок состоит из центрального блока управления, блока генерации импульсов, блока усиления и аналого-цифрового преобразования сигнала, блока регистрации дефектов и блока обработки сигналов.
Одним из недостатков прототипа является невозможность проведения внутритрубного ультразвукового контроля трубопроводов диаметром менее 530 мм, что обусловлено большими габаритными размерами конструкции устройства, в связи с использованием баков с контактной жидкостью. Как было отмечено ранее, применение контактной жидкости требует предварительной подготовки металла трубопровода. Также отсутствие зазора между фазированными решетками и исследуемой поверхностью металла при использовании пьезоэлектрических преобразователей затрудняет управление средством перемещения в областях трубопроводной обвязки и снижает скорость диагностирования.
Задачей, для решения которой предназначена полезная модель, является повышение мобильности устройства, увеличение точности и скорости ультразвукового обследования трубопроводов больших диаметров, возможность проведения ультразвукового контроля в трубах без предварительной очистки стенок и уменьшенными условными диаметрами.
Поставленная задача решается достижением технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, повышении чувствительности и производительности контроля труб.
Данный технический результат достигается тем, что роботизированный дефектоскоп для неразрушающего контроля трубопроводов, включает в себя средство доставки, на котором установлены электронный блок, камеры с осветителями, датчик для ультразвуковой диагностики поверхности объекта контроля, отличается тем, что датчик ультразвуковой диагностики представляет собой цифровую фазированную антенную решетку, выполненную на электромагнитно-акустических преобразователях, оснащен датчиком зазора, а на роботизированном дефектоскопе установлен привод подъема датчика ультразвуковой диагностики.
Датчик для ультразвуковой диагностики позволяет как возбуждать, так и принимать ультразвуковые колебания с возможностью варьирования угла ввода ультразвуковой волны от 0 до 90 градусов без изменения пространственного положения датчика.
Применение в качестве датчика ультразвуковой диагностики фазированной антенной решетки, которая выполнена на электромагнитных акустических преобразователях (ЭМАП-ФАР) и имеет датчик зазора, и использование привода подъема датчика ЭМАП-ФАР в составе роботизированного дефектоскопа позволяет исключить из состава дефектоскопа баки с контактной жидкостью, устройства для регулирования подачи этой жидкости, благодаря чему упрощается конструкция дефектоскопа. Также обеспечивается значительное уменьшение габаритных размеров дефектоскопа, что позволяет проходить трубы с меньшими условными диаметрами и облегчает загрузку дефектоскопа через технологические люки (резы) трубопровода.
Использование датчика ЭМАП-ФАР с датчиком зазора и применение привода подъема датчика ЭМАП-ФАР обеспечивают определение и регулирование величины зазора между датчиком ЭМАП-ФАР и рабочей поверхностью. С одной стороны, уменьшение величины рабочего зазора на относительно гладких и ровных участках трубопровода обеспечивает  усиление принимаемых сигналов (амплитуда, энергия) отраженных УЗ-волн от рабочей поверхности, благодаря чему увеличивается чувствительность диагностирования. С другой стороны, увеличение зазора позволяет проводить диагностирование на существенно неровных поверхностях трубопровода и участках его сильного загрязнения, беспрепятственно проходить кольцевые стыки и места трубопроводной обвязки, а также обеспечивает загрузку дефектоскопа без повреждения датчика ЭМАП-ФАР, что повышает производительность неразрушающего контроля трубопроводов.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показано расположение основных элементов роботизированного дефектоскопа для неразрушающего контроля трубопроводов, на фиг.2 показана функциональная схема роботизированного дефектоскопа для неразрушающего контроля трубопроводов, демонстрирующая связь между элементами, входящими в состав дефектоскопа.
Предлагаемое устройство (фиг.1) представляет собой автоматизированное средство доставки (СД), содержащее герметичный корпус 1, в котором расположен электронный блок 2, узел автономного питания 3, узел мехатроники и управления 4 и находящийся на удалении от СД блок управления 5. Также на СД расположены датчик ЭМАП-ФАР 6, передняя и задняя телевизионные камеры с осветителями 7, 8 для обеспечения обзора при управлении движением СД, а для наблюдения за состоянием труб совместно с датчиком ЭМАП-ФАР 6 имеется обзорная камера 9.
Электронный блок 2 включает в себя узел обработки и синтеза сигналов 10, узел навигации 11, узел беспроводной связи 12, антенна 13 которого вынесена за герметичный корпус 1. Блок 2 предназначен для управления всеми приводами в роботизированном дефектоскопе, получения информации от всех датчиков, ее обработки и передачи в блок управления 5. Узел 3 содержит блок аккумуляторной батареи с контроллером разряда, отвечающий за питание всех узлов и элементов. В узел 4 входит силовой модуль питания приводов 14, привод подъема датчика ЭМАП-ФАР 15 и механизм перемещения 16, служащий для обеспечения движения СД по поверхности труб толщиной стенок от 6 до 32 мм и условным диаметром от 400 мм и состоящий из 4 магнитных колес, каждое из которых имеет свой привод, инкрементальный энкодер и датчик Холла, позволяющий контролировать отрыв колес от поверхности объекта контроля. Привод подъема датчика ЭМАП-ФАР 15 необходим для обеспечения прохождения элементов трубопроводной обвязки и загрузки дефектоскопа через технологические люки (резы) без повреждения датчика.
Датчик ЭМАП-ФАР 6, предназначен для ультразвукового обследования кольцевых и продольных соединений внутри трубопровода и зон термического влияния, а также для анализа основного металла труб и конструкций опасных производственных объектов. В составе датчика 6 имеется фазированная антенная решетка с электромагнитными акустическими преобразователями для бесконтактного возбуждения и приема ультразвуковых волн в объекте контроля за счет прямого и обратного ЭМА-преобразования, магнитная система, плата предварительного усилителя, подложка и датчик зазора, отвечающий за измерение величины рабочего зазора между поверхностью датчика 6 и поверхностью объекта контроля (в диапазоне от 0 до 3 мм). Блок управления 5 находится на расстоянии до 550 м от места проведения работ и предназначен для дистанционного управления роботизированным дефектоскопом и проведения диагностирования трубопроводов. В состав блока управления 5 входит ноутбук со специальным программным обеспечением, пульт управления, подключенный к ноутбуку по проводным или беспроводным средствам связи, который облегчает проведение диагностики поверхности объекта контроля в автоматическом и ручном режиме. Также в состав блока управления 5 входит блок питания и связи с СД, выполняющий функцию связи с роботизированным дефектоскопом и зарядки аккумуляторной батареи СД. Подключение к ноутбуку блока питания и связи с СД происходит по интерфейсу Ethernet.
Роботизированный дефектоскоп для неразрушающего контроля трубопроводов работает следующим образом. Робот-дефектоскоп помещается в трубопровод через люк-лаз с установленным на борту датчиком ЭМАП-ФАР 6. Оператор занимает безопасное место в пределах 550 м для получения диагностических данных. С помощью программного обеспечения, установленного на ноутбуке, и пульта управления посредством беспроводной связи производится управление приводом подъема датчика ЭМАП-ФАР для изменения зазора между датчиком и поверхностью трубы, осуществляется перемещение СД вперед-назад, а также поворот разворот. Обеспечить сплошной визуальный контроль позволяет наличие камер с осветителями 7 и 8, которые передают изображение с дефектоскопа на ноутбук для корректировки управления и предварительной визуальной оценки состояния трубопровода. После того как выбрана область поверхности контроля устанавливается рабочий зазор (до 3 мм) для работы датчика ЭМАП-ФАР 6 и происходит ввод в поверхность объекта контроля ультразвуковых волн под углом от 0 до 90 градусов с временными задержками, а также прием отраженных волн. Далее данные со всех датчиков, включая датчик 6, поступают на узел обработки и синтеза сигналов 10 для последующей передачи через узел беспроводной связи 12 на блок управления 5 для построения А-скана в режиме онлайн (реального времени).
Таким образом, благодаря использованию датчика ЭМАП-ФАР 6 с датчиком зазора и привода подъема датчика ЭМАП-ФАР 15 обеспечивается существенное уменьшение массы и габаритных размеров дефектоскопа с увеличением чувствительности и повышением производительности неразрушающего контроля трубопроводов.