СИСТЕМА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ТРУБОПРОВОДА

Полезная модель относится к неразрушающему контролю и может быть использована при диагностике трубопроводов.
Прототипом полезной модели является устройство для ультразвуковой дефектоскопии цилиндрических изделий, содержащее совмещенный двунаправленный преобразователь и соединенные с ним последовательно ультразвуковой дефектоскоп и схему обработки, а так же - соединенные последовательно приемный двунаправленный преобразователь, усилитель, блок измерения информативных параметров, соединенный с дефектоскопом, блок принятия решения, соединенный также со схемой обработки - патент РФ на изобретение №2146363, G01N 29/04, 2000 г.
Недостатком устройства является то, что оно, обеспечивая обнаружение дефектов в любом месте объекта контроля, не показывает их координат и количества, т.е. в устройстве отсутствует визуализация дефектов.
В связи с этим, технической задачей, решаемой полезной моделью, является обеспечение в системе ультразвуковой дефектоскопии визуализации дефектов, или, их «картографирования».
11
22
12
21
Эта задача решена системой ультразвуковой дефектоскопии трубопровода, включающей в себя два двунаправленных электромагнитно-акустических преобразователя, два генератора импульсов возбуждения, синхронизатор, два усилителя, два аналого-цифровых преобразователя, вычислитель, блок памяти и дисплей, система установлена на платформе, выполненной с возможностью перемещения вдоль трубопровода, оба электромагнитно-акустических преобразователя размещены симметрично по обе стороны от образующей трубопровода в зоне от 3-х до 9-ти часов, которая служит для отсчета координат дефектов по окружности трубопровода, вход каждого электромагнитно-акустического преобразователя соединен, через соответствующий генератор импульсов возбуждения, с соответствующим выходом синхронизатора, а выход каждого электромагнитно-акустического преобразователя, через цепь соответствующих последовательно соединенных усилителя и аналого-цифровых преобразователя, подсоединен к соответствующему входу вычислителя, выход которого подключен к дисплею, вычислитель, соединенный также с синхронизатором и блоком памяти, определяет распределение дефектов для каждой окружности трубопровода путем совместной обработки четырех сигналов, регистрируемых в интервале времени, превышающем время распространения сигнала вокруг трубопровода, путем весового суммирования или перемножения их мгновенных значений в совпадающие моменты времени с последующим вычислением модуля суммы или квадратного корня от произведения, при этом, сигнал S(t), полученный при возбуждении и приеме ультразвуковых колебаний от одного электромагнитно-акустического преобразователя, и сигнал S(t), полученный при возбуждении и приеме ультразвуковых колебаний от другого электромагнитно-акустического преобразователя, суммируют или перемножают с двумя другими сигналами S(t) и S(t), полученными при возбуждении ультразвуковых колебаний одним электромагнитно-акустическим преобразователем, а приеме - другим электромагнитно-акустическим преобразователем, сначала с временными сдвигами на интервалы Δt и -Δt, равными интервалу времени распространения ультразвуковых колебаний в стенках трубопровода от центра одного электромагнитно-акустического преобразователя к центру другого, а затем - с временными сдвигами -Δt и Δt:
ΣR
ПR
где: S, S - результирующие сигналы при суммировании или перемножении мгновенных значений для отображения на дисплее визуализируемых дефектов правой половины трубопровода относительно его образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов,
ΣL
ПL
S, S - результирующие сигналы при суммировании или перемножении мгновенных значений для отображения на дисплее визуализируемых дефектов левой половины трубопровода относительно его образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов.
На фиг.1 приведена блок - схема системы ультразвуковой дефектоскопии в ее оптимальном положении, когда она размещена на верхней образующей трубопровода, т.е. на линии 12-ти часов; на фиг.2 - диаграммы распределения импульсов в режиме поочередной посылки зондирующих импульсов и одновременного приема ответных сигналов первым и вторым электромагнитно-акустическими преобразователями; на фиг.3 - диаграммы обработки импульсов от электромагнитно-акустических преобразователей в вычислителе для определения дефектов, находящихся на правой стороне трубопровода относительно его образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов; на фиг.4 - диаграммы обработки импульсов от электромагнитно-акустических преобразователей в вычислителе для определения дефектов, находящихся в левой стороне трубопровода относительно его образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов.
Система ультразвуковой дефектоскопии по фиг.1 содержит два двунаправленных электромагнитно-акустических преобразователя (ЭМАП) 1, 2, два генератора 3, 4 импульсов возбуждения, синхронизатор 5, два усилителя 6, 7, два аналого-цифровых преобразователя 8, 9, вычислитель 10, блок памяти 11 и дисплей 12.
В качестве электромагнитно-акустических преобразователей могут использоваться как совмещенные, так и раздельно - совмещенные преобразователи.
Вход каждого электромагнитно-акустического преобразователя 1, 2 соединен, через соответствующий генератор 3, 4 импульсов возбуждения, с соответствующим выходом синхронизатора 5.
Выход каждого ЭМАП 1, 2, через цепь соответствующих последовательно соединенных усилителя 6, 7 и аналого-цифровых преобразователя 8, 9, подсоединен к соответствующему входу вычислителя 10, выход которого подключен к дисплею 12. Вычислитель 10 также соединен с синхронизатором 5 и блоком памяти 11.
Трубопровод, например, на фиг.1 - труба 13, имеет дефект 14. Стрелками 15 показано направление распространения ультразвуковых (у.з.) колебаний при работе ЭМАП 1, 2.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Картографирование, или визуализация, отраженная на дисплее 12, получается благодаря тому, что у.з. сигналы, посылаемые ЭМАП 1, 2 обходят всю трубу 13 по окружности, а платформа с размещенными на ней блоками системы движется вдоль образующей трубы 13. Карта, или картина развертки трубы, собирается из множества сигналов прозвучивания по окружностям трубы 13, обрабатываемых в двух каналах приема и поступающих на вычислитель 10 с блоком памяти 11.
Платформа с ЭМАП 1, 2, установленными на ней так, чтобы они размещались симметрично относительно образующей трубы 13, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов, а в частности, как показано на фиг.1 - на линии 12-ти часов, перемещается вдоль нее. С выхода синхронизатора 5 подается сигнал на генератор 3 импульсов возбуждения, включающий ЭМАП 1. Синхронизатор 5 управляет поочередной работой генераторов 3, 4, создавая необходимые для затухания у.з. колебаний в трубе 13 запаздывания зондирующих импульсов.
В момент включения ЭМАП 1 в работу, он излучает зондирующий импульс, который распространяется в обе стороны в направлении окружности трубы 13 - по часовой стрелке и против (показано стрелками 15). При этом и ЭМАП 1, и ЭМАП 2 одновременно принимают сигналы, усиливаемые в усилителях 6 и 7, соответственно.
Через промежуток времени, превышающий время обегания зондирующим импульсом одного оборота вокруг трубы 13, и соответствующей паузы, необходимой для затухания у.з. колебаний в стенках трубы, с выхода синхронизатора 5 подается сигнал на генератор 4 импульсов возбуждения, включающий в работу ЭМАП 2, который так же излучает зондирующий импульс в обе стороны в направлении окружности трубы 13 (показано стрелками 15). Одновременно ЭМАП 1 и ЭМАП 2 принимают сигналы, усиливаемые в усилителях 6 и 7, соответственно.
На фиг.2 вышеописанная работа ЭМАП 1, 2 проиллюстрирована диаграммами с четырьмя развертками сигналов со следующими обозначениями: по оси 1-1 - сигналы, которые принимает ЭМАП 1 после излучения им зондирующего импульса; по оси 1-2 -сигналы, принятые ЭМАП 2 после излучения зондирующего импульса ЭМАП 1; по оси 2-2 - сигналы, которые принимает ЭМАП 2 после излучения им зондирующего импульса; по оси 2-1 - сигналы, принятые ЭМАП 1 после излучения зондирующего импульса ЭМАП 2.
На диаграммах фиг.2 приняты следующие обозначения импульсов:
16 - зондирующий импульс от ЭМАП 1;
17 - эхо-импульс от дефекта 14, прошедший по траектории от первого ЭМАП 1 к дефекту 14 по часовой стрелке и вернувшийся снова к ЭМАП 1 против часовой стрелки;
18 - импульс, являющийся суммой двух зондирующих импульсов от ЭМАП 1, обошедших полный оборот вокруг трубы 13 навстречу друг другу;
19 - сигнал прохождения зондирующего импульса от ЭМАП 1 к ЭМАП 2 по часовой стрелке;
20 - эхо-импульс от дефекта 14, прошедший от ЭМАП 1 к дефекту 14 по часовой стрелке и вернувшийся к ЭМАП 2 против часовой стрелки;
21 - зондирующий импульс от ЭМАП 1 к ЭМАП 2 против часовой стрелки;
22 - зондирующий импульс от ЭМАП 2;
23 - эхо-импульс от дефекта 14, прошедший от ЭМАП 2 к дефекту 14 по часовой стрелке и вернувшийся к ЭМАП 2 против часовой стрелки;
24 - импульс, являющийся суммой двух зондирующих импульсов от ЭМАП 2, обошедших полный оборот вокруг трубы 13 навстречу друг другу;
25 - зондирующий импульс от ЭМАП 2 к ЭМАП 1 против часовой стрелки;
26 - эхо-импульс от дефекта 14, прошедший от ЭМАП 2 к дефекту 14 по часовой стрелке и вернувшийся к ЭМАП 1 против часовой стрелки;
27 - зондирующий импульс от ЭМАП 2 к ЭМАП 1 по часовой стрелке.
Из фиг.2 видно, что сигналы по осям 1-2 и 2-1 одинаковы, т.к. они получены для случаев, когда излучатель и приемник у.з. колебаний поменялись ролями (принцип обратимости лучей). Для обработки сигналов в вычислителе 10 и получения результирующего дефектоскопического изображения можно использовать любой из этих вариантов сигналов или их полусумму, что несколько лучше для подавления шума приемных трактов.
Таким образом, после возбуждения зондирующих импульсов в стенках трубы 13, прием ведут оба ЭМАП 1 и 2, а импульсы 16-27 фиксируются в блоке памяти 11 после их преобразования в аналого-цифровых преобразователях 8, 9, а вычислитель 10 анализирует и обрабатывает пришедшие сигналы.
Для построения картины дефектов трубы 13 происходит обработка всех четырех сигналов в вычислителе 10, выбираемых из блока памяти 11. При этом получаются разные картины левой и правой сторон трубы 13 относительно ее верхней образующей, вдоль которой происходит перемещение платформы, на которой установлена вся система.
На фиг.3 даны диаграммы обработки импульсов от ЭМАП 1 и 2 в вычислителе 10 для определения дефектов, находящихся на правой стороне трубы 13 относительно ее образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов, которая служит для отсчета координат дефектов.
На фиг.3 приняты следующие обозначения:
1-1 - ось сигналов совмещенного режима ЭМАП 1, сдвинутых на интервал времени -Δt;
2-2 - ось сигналов совмещенного режима ЭМАП 2, сдвинутых на интервал времени Δt;
1-2, 2-1-оси сигналов любого из вариантов взаимодействия ЭМАПов, т.е. при раздельной работе каждого из них;
Σ - когерентная сумма всех трех сигналов по указанным выше осям;
П - когерентное произведение указанных сигналов.
,
где: L - расстояние между центрами ЭМАП 1 и 2 по поверхности трубы 13;
с - скорость распространения у.з. волн в стенках трубы.
Симметричный сдвиг сигналов совмещенного режима ЭМАП 1 и ЭМАП 2 на интервалы -Δt и Δt, соответственно, обеспечивает совмещение во времени эхо-импульсов от дефекта 14 в сигналах на всех трех временных осях (фиг.3). При этом начало координат результирующей дефектограммы (на развертке трубы) получается точно посередине между центрами ЭМАП 1,2.
На диаграммах фиг.3 приняты следующие обозначения импульсов:
16, 17 и 18 - те же импульсы по оси 1-1, фиг.2;
22, 23 - те же импульсы по оси 2-2, фиг.2;
19, 20 и 21- те же импульсы, что и 19, 20 и 21 по оси 1-2 или 25, 26 и 27 по оси
2-1, фиг.2;
16 по оси Σ - это импульс 16, по оси 1-1, фиг.3;
28 - сумма импульса 22 по оси 2-2 с импульсом 19 по оси 1-2 (2-1 или полусуммы 1-2 и 2-1), фиг.3;
29 - сумма трех эхо-импульсов 17, 23 и 20 из суммируемых импульсов, фиг.3;
30 - сумма импульсов 18 и 21 из суммируемых по осям 1-1 и 1-2 (2-1 или полусуммы 1-2 и 2-1);
31 - произведение трех эхо-импульсов 17, 23 и 20.
Начало координат результирующей дефектограммы на развертке трубы соответствует точке 0 на оси времени.
Результирующие импульсы Σ и П отображают часть поверхности трубы 13, лежащую справа относительно ее образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов.
На фиг.4 дана обработка диаграмм импульсов от преобразователей 1 и 2 в вычислителе 10 для определения дефектов, находящихся в левой стороне трубы 13 относительно ее образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов.
На фиг.4 приняты следующие обозначения:
1-1 - ось сигналов совмещенного режима ЭМАП 1, сдвинутых на интервал времени Δt;
2-2 - ось сигналов совмещенного режима ЭМАП 2, сдвинутых на интервал времени - Δt;
1-2, 2-1 - оси сигналов любого из вариантов взаимодействия ЭМАПов, т.е. при раздельной работе каждого из них;
£ - когерентная сумма всех трех сигналов по указанным выше осям;
П - когерентное произведение указанных сигналов.
На диаграмме фиг.4 приняты следующие обозначения импульсов:
16 - тот же импульс, что по оси 1-1, фиг.2;
22, 23, 24 - те же импульсы, что по оси 2-2, фиг.2;
19, 20 и 21 - те же импульсы, что по оси 1-2, 2-1, фиг.3;
22 по оси Σ- это импульс 22 по оси 2-2, фиг.4;
23 по оси Σ- это импульс 23 по оси 2-2, фиг.4;
32 - сумма импульсов 16 и 19 из суммируемых по осям 1-1 и 1-2 (2-1 или полусуммы 1-2 и 2-1), фиг.4;
20 по оси Σ- это импульс 20 по оси 1-2 (2-1 или полусуммы 1-2 и 2-1), фиг.4;
33 - сумма импульсов 24 по оси 2-2 и 21 по оси 1-2 (2-1 или полусуммы 1-2 и 2-1), фиг.4.
Результирующие импульсы Σ и П отображают часть поверхности трубы 13, лежащую слева относительно ее образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов.
Цветояркостная картина развертки из вычислителя 10 выводится на дисплей 12, сохраняясь при этом в блоке памяти 11.
Поскольку используется эхо-импульсный метод, то по времени задержки эхо-сигнала в вычислителе 10 рассчитывается удаление дефекта от каждого ЭМАП, точнее - от точки, лежащей посередине между ними.
Блок памяти 11 предназначен для записи принимаемых сигналов, хранения промежуточных данных и окончательной цветояркостной картины развертки трубы 13. Он также выдает сигналы на соответствующие временные сдвиги импульсов в синхронизаторе 5, управляющем работой генераторов 3,4.
Таким образом, при движении вдоль трубы 13 система на дисплее рисует как бы топограмму расположения дефектов в стенках. Причем, система наиболее чувствительна к продольным трещинам стенок трубопровода, которые часто встречаются и наиболее опасны.
На полученной картине отметки дефектов адекватны реальным местам их расположения с учетом сторон трубы 13 от ее образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов - правой или левой.
Движение по трубопроводу и у.з. зондирование ничем не осложнены, в отличие от систем, применяющих пьезопреобразователи, требующие использования контактной жидкости.