УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОРТИРОВКИ ТРУБ НЕФТЯНОГО СОРТАМЕНТА ПО ГРУППАМ ПРОЧНОСТИ

Полезная модель относится к средствам неразрушающего контроля и может быть использована в стационарных условиях для оценки принадлежности труб, в частности, насосно-компрессорных труб, изготавливаемых в соответствии с ГОСТ 633-80, к той или иной группе прочности.
Известно устройство для вихретокового контроля, используемое для измерения временного предела прочности алюминиевых сплавов (патент РФ №2011188, МПК G01N 27/90). Данное устройство содержит автогенератор, вихретоковый преобразователь, фазовый детектор, линеаризатор, аналого-цифровой преобразователь, индикатор, а также блок памяти, перемножающий цифро-аналоговый преобразователь и мультиплексор. Однако это устройство не предназначено для контроля ферромагнитных изделий и не может быть использовано при контроле стальных труб нефтяного сортамента.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является структуроскоп для контроля объектов из ферромагнитных марок сталей, включающий генератор, проходной преобразователь, компенсатор, сумматор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, программируемый микроконтроллер на основе однокристального микропроцессора, блок автоматической разбраковки и цифровой дисплей (Неразрушающий контроль. Справочник под редакцией В.В.Клюева. М., «Машиностроение», 2003, Т.2, стр.570). Однако, данное устройство не приспособлено для сортировки труб нефтяного сортамента по группам прочности, определяемым соответствующими ГОСТами РФ, а также стандартами АНИ на бурильные, обсадные, насосно-компрессорные трубы. Необходимость сортировки таких труб по указанным группам прочности обусловлена жесткими требованиями, предъявляемыми к трубам, предназначенным для использования в нефтегазовой промышленности, поскольку ошибки в отнесении указанных труб к той или иной группе прочности приводят к тяжелейшим авариям при бурении и эксплуатации глубоких скважин.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства, обеспечивающего сортировку труб нефтяного сортамента по группам прочности, а также расширение арсенала средств неразрушающего контроля стальных труб нефтяного сортамента, которые можно использовать в стационарных условиях как в автономном режиме, так и в составе автоматизированных систем контроля в процессе движения труб по рольгангам.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для сортировки труб нефтяного сортамента по группам прочности, включающее блок питания, измерительный проходной преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, а также микроконтроллер, связанный с блоком разбраковки и цифровым дисплеем, в отличие от прототипа снабжено блоком энергонезависимой памяти, выход которого подключен к микроконтроллеру, измерительный преобразователь выполнен в виде катушки индуктивности, вход которой связан с микроконтроллером через последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и усилитель мощности, а выход подключен через последовательно соединенные датчик тока, преобразователь напряжения и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) к входу микроконтроллера, при этом блок разбраковки выполнен в виде электронных ключей, входы которых соединены с выходом микроконтроллера, а выходы связаны с соответствующими блоками управления сортировщиками.
Технический результат, обеспечиваемый заявляемой полезной моделью, заключается в упрощении процедуры и снижении трудоемкости сортировки стальных труб нефтяного сортамента, возможности определения принадлежности, например, насосно-компрессорных труб к той или иной группе прочности в процессе их движения по рольгангам уже существующих технологических линий и достигается за счет введения блока энергонезависимой памяти и выполнения измерительного преобразователя и блока разбраковки предложенным образом, что в совокупности с остальными признаками полезной модели позволило использовать в качестве информативного параметра, непосредственно связанного с группой прочности, степень затухания магнитного поля.
Сущность предложенного технического решения поясняется структурной схемой устройства. Устройство включает наружный проходной измерительный преобразователь, выполненный в виде катушки индуктивности 1, на которую от микроконтроллера 2 через ЦАП 3 и усилитель мощности 4 поступает низкочастотный сигнал возбуждения. В качестве микроконтроллера может быть использован, например, однокристальный микроконтроллер типа PIC17C756A фирмы MicroChip (США), в качестве ЦАП 3 - интегральный сдвоенный четырехквадрантный ЦАП с токовым выходом типа DAC7800 фирмы Burn Broun (США), а в качестве усилителя мощности 4 - усилитель мощности с большим выходным током типа ОРА544Т. Параметры, необходимые для нормального функционирования устройства, в том числе, частоту и амплитуду напряжения возбуждения катушки 1, граничные значения токов для разных групп прочности, ток холостого хода, микроконтроллер 2 считывает из блока энергонезависимой памяти 5. Блок 5 может быть выполнен на микросхеме типа 93LC56. Выход катушки 1 связан со входом микроконтроллера 2 через последовательно соединенные датчик тока 6, преобразователь 7 переменного напряжения в постоянное, пропорциональное его среднеквадратичному значению, и АЦП 8. Датчиком тока 6 служит резистор, в качестве преобразователя 7 возможно использовать ИС типа AD736JN. В качестве АЦП 8 для повышения точности при выявлении разницы в затухании магнитного поля в трубах разных групп прочности рекомендуется использовать так называемые «сигма-дельта АЦП» (например, ИС типа AD7714AN-5 фирмы «Analog Device» (США), характеризующиеся высокой разрешающей способностью и чувствительностью. Блок разбраковки 9 для управления внешними сортировщиками представляет собой 6 (по числу контролируемых групп прочности) транзисторных ключей типа КТ972, управляемых от микроконтроллера 2. Устройство снабжено цифровым дисплеем 10 и блоком питания 11.
т
т
Работа описываемого устройства осуществляется следующим образом. Как известно, прочность металла определяется его химическим составом и структурой. Поскольку химический состав металла, в частности насосно-компрессорных труб по ГОСТ 633-80, примерно постоянен, его вариации мало сказываются на прочности. В то же время структура металла в процессе изготовления и эксплуатации труб подвержена значительным изменениям. Известно, что определяющим для прочности является степень зернистости металла - чем меньше зернистость, тем выше прочность. Одновременно степень зернистости влияет и на восприимчивость металла к магнитному полю - наличие пустот в структуре металла приводит к большему затуханию внешнего магнитного поля. Таким образом, между прочностью металла и затуханием магнитного поля в нем существует обратная зависимость, что и было положено в основу работы предложенного устройства. Контролируемая труба, двигаясь по рольгангу, проходит через катушку индуктивности 1, возбуждаемую низкочастотным переменным напряжением, увеличивая при этом величину ее индуктивности и, соответственно, реактивное сопротивление, что в свою очередь приводит к уменьшению протекающего через катушку тока. При этом более прочный металл в силу лучшей восприимчивости к магнитному полю приводит к меньшему ослаблению магнитного поля и, следовательно, к меньшему изменению индуктивности и тока. Предварительно для каждой группы прочности проводятся калибровочные испытания, в результате которых по образцам с известными прочностными характеристиками методом наименьшего среднеквадратического отклонения строится линейная зависимость между током, протекающим через катушку, и пределом текучести металла σ. Затем, используя граничные значения σ для различных групп прочности по ГОСТ 633-80, определяются соответствующие им граничные значения тока через катушку 1. Эти значения заносятся в блок энергонезависимой памяти 5. При включении питания микроконтроллер 2 считывает из блока 5 необходимые частоту и амплитуду напряжения возбуждения катушки 1. Низкочастотный сигнал возбуждения формируется при помощи ЦАП 3, который преобразует код, поступающий из микроконтроллера 2 и изменяющийся по синусоидальному закону, в соответствующий аналоговый сигнал требуемой амплитуды. Далее для получения необходимой мощности сигнал усиливается в усилителе 4. Полученное таким образом напряжение возбуждения подается на катушку 1, по которой начинает протекать переменный ток, равный отношению напряжения возбуждения к комплексному сопротивлению катушки. С датчика 6, включенного последовательно с катушкой 1, снимается напряжение, пропорциональное протекающему через катушку току, подается на преобразователь 7 и далее в АЦП 8 для дальнейшего преобразования его в цифровую форму и последующей обработки в микроконтроллере 2. Из всех измеренных за все время прохождения контролируемой трубы через устройство среднеквадратичных значений тока, протекающего через катушку 1, выбирается наименьшее, которе затем сравнивается с граничными значениями, занесенными в память устройства. При попадании этого значения тока в определенные ранее границы для какой-либо группы или нескольких групп прочности буквенный код этих групп отображается на дисплее 10. Для управления сортировщиками труб по группам прочности служат электронные ключи 9, подключенные одним концом на общий провод. В исходном состоянии все ключи разомкнуты. После определения группы прочности через программируемый интервал времени один из ключей, соответствующий выявленной группе прочности, замыкает цепь управления сортировщиком на общий провод, после чего последний включается и сбрасывает трубу в требуемый накопитель. Через программируемый интервал времени ключ размыкается, приводя сортировщик в исходное положение. Если было выявлено несколько групп прочности, то срабатывает ключ, принадлежащий группе с минимальной прочностью.
Данная полезная модель была реализована в приборе «Сортоскоп 2м+», опытные образцы которого успешно прошли испытания на трубных базах ОАО «Татнефть», где он был встроен в технологическую линию дефектоскопии труб.