УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МУФТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ В СКВАЖИНАХ
DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC CONTROL OF MECHANICAL STRENGTH OF COUPLING JOINTS OF PIPES IN WELLS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля магнитной проницаемости и электропроводности изделий из ферромагнитных материалов, например, муфтовые соединения труб в скважинах, недоступные для непосредственного контроля.
Известно устройство для контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов (А.с. Устройство для контроля физико-механических параметров ферромагнитных материалоя, SU G01N 27/90, 1193568, 23.11.85, бюл. №43).
На фиг.1 представлена блок-схема устройства для контроля физико-механических параметров ферромагнитных материалов.
Устройство содержит генератор 1 с изменяемой частотой, соединенные последовательно параметрический индуктивный преобразователь 2, ключ 3 и эталонный резистор 4, подключенные к выходу генератора 1 с изменяемой частотой, соединенные последовательно амплитудный детектор 5, подключенный к эталонному резистору 4, и индикатор 6. Устройство содержит также компенсирующий конденсатор 7, подключенный параллельно индуктивному преобразователю 2 и ключу 3, и блок 8 измерений частоты, подключенный к генератору 1 с изменяемой частотой.
C
L
Для цепи из параллельно соединенных индуктивного преобразователя и конденсатора, подключенной к источнику переменного напряжения, удаление из цепи индуктивного преобразователя не изменяет амплитуды тока в неразветвленной части цепи, когда X=2X. Это видно из уравнения тока такой цепи ,
где  - эквивалентная проводимость разветвления цепи;
- реактивная проводимость компенсирующего конденсатора;
L
С
L
g, b - соответственно активная и реактивная проводимости индуктивного преобразователя. Из равенства  получают Х=2X.
С
L
Измерения для контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов выполняют следующим образом. В переменное магнитное поле индуктивного преобразователя помещают контролируемое изделие (не показано). Изменением частоты питающего генератора 1 при неизменном на его выходе напряжении и постоянной величине емкости компенсирующего конденсатора 7 добиваются такого состояния, когда при работающем ключе 3 прекратятся колебания стрелки индикатора 6. В этот момент прекращают изменять частоту генератора 1 и при помощи блока 8 измерения частоты измеряют рабочую частоту генератора 1. Компенсация удвоенной величины реактивной составляющей полного сопротивления индуктивного преобразователя позволяет повысить надежность и стабильность измерений за счет того, что рабочая частота генератора , определяемая из условия Х=2X, не зависит от активного сопротивления индуктивного преобразователя, поэтому влияние внешних условий, таких, как изменение температуры, сказывается в меньшей степени. Это является существенным достоинством.
Недостатком этого устройства для контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов является недостаточная чувствительность к их незначительным изменениям.
Известно также устройство для контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов с повышенной чувствительностью к их изменению (А.С. №1420513, G01N 27/90, 30.08.1988, бюл. №32, Устройство для контроля физико-механических параметров ферромагнитных изделий).
На фиг.2 представлена структурная схема этого устройства. Оно содержит генератор 1, неуравновешенный емкостный мост, образованный регулируемыми конденсаторами 2-4 и конденсатором 5 (регуляторы конденсаторов 2 и 4 кинематически связаны), последовательно соединенные параметрический преобразователь 6 и ключ 7, подключенные параллельно конденсатору 2 и образующие с ним параллельный контур, первый индикатор 8 напряжения, включенный в измерительную диагональ моста, и второй индикатор 9 напряжения, включенный параллельно конденсатору 5. Генератор 1 включен во входную диагональ моста.
С
L
С
L
С
L
Измерения для контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов этим устройством выполняют следующим образом. При включении устройства на выходе генератора 1 появляется напряжение, поступающее на входную диагональ неуравновешенного емкостного моста, в измерительное плечо которого включен параметрический преобразователь 6. Амплитуду тока в цепи, содержащей конденсаторы 2 и 5, измеряют с помощью индикатора 9 напряжения. При периодическом замыкании ключа 7 показания индикатора 9 изменяются с частотой переключения. Емкость конденсатора 2 в измерительном плече моста изменяется до тех пор, пока колебания стрелки индикатора 9 не достигнут минимального значения. В этот момент прекращаются изменения емкости конденсатора 2 и работа ключа 7. С помощью конденсатора 3 с переменной емкостью в образцовом плече и индикатора 8 балансируют емкостный мост. Затем устанавливают преобразователь 6 на контролируемое изделие (на чертеже не показано), вновь включают ключ 7 и с помощью конденсатора 2 добиваются минимальных колебаний стрелки индикатора 9. а работу ключа 7 прекращают. С помощью индикатора 8 измеряется величина разбаланса неуравновешенного емкостного моста, связанная с изменением реактивной составляющей преобразователя 6. Индикатор 9 показывает величину падения напряжения на конденсаторе 5, пропорциональную току в цепи конденсаторов 2 и 5. В момент выполнения условия равенства реактивного сопротивления Х конденсатора 2 удвоенной величине реактивного сопротивления X преобразователя 6, т.е. Х=2X, которое осуществляется при работающем ключе 7, колебания стрелки индикатора 9 отсутствуют. Наличие связи между конденсатором 2 с переменной емкостью, соединенным параллельно с параметрическим преобразователем 6 и ключом 7 и включенным в измерительное плечо, и конденсатором 4 с переменной емкостью, включенным во вспомогательное плечо емкостного моста, приводит к тому, что разбаланс моста, обусловленный условием Х=2X измерительного плеча, может быть приведен к удвоенному его значению. Конденсатор 2 с переменной емкостью, включенный в измерительное плечо, выполняет функцию удвоенной величины реактивного сопротивления параметрического преобразователя
Описанное устройство имеет существенный недостаток. Его невозможно применить в тех случаях контроля физико-механических параметров изделий, когда необходимо сравнение с исправными изделиями, а неисправные изделия недоступны для непосредственной оценки их состояния.
L
С
L
С
Наиболее близким по своей сути является устройство для электромагнитного контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных электропроводящих материалов, принятое за прототип, с помощью которого осуществляется сравнение полных сопротивлений индуктивных преобразователей, включенных в дифференциальную схему с двумя последовательными резонансными контурами (Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник. Под ред. Г.С.Самойловича. М., Машиностроение, 1986, рис.78, стр.269). Резонансные контуры настроены на резонанс напряжения, который возникает при равенстве реактивных сопротивлений индуктивной катушки Х и конденсатора Х, т.е. X=Х. Использование последовательной резонансной электрической цепи при измерениях электропроводности, толщины листов стенки труб позволяет уменьшить влияние изменения зазора между индуктивной катушкой и изделием в пределах до 0,2 мм. Однако влияние температуры на результаты измерений исключить нельзя. Это является недостатком способа - прототипа.
Задача предлагаемого изобретения - расширение возможностей применения устройства для электромагнитного контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов для оценки механической прочности муфтовых соединений труб в скважинах (фиг.3. Схема участка муфтового соединения труб в скважинах). На схеме обозначено: 1 - обсадная труба скважины, 2 - труба, например, насоса скважины, 3 - муфта резьбового соединения труб, 4 - индуктивный преобразователь.)
Технический результат достигается тем, что электрическая схема, показанная на фиг.4, с помощью которой реализуется устройство, содержит генератор с изменяемой частотой переменного тока 1, к выводам которого подключена дифференциальная схема с двумя последовательными колебательными контурами. Первый колебательный контур содержит последовательно соединенные амперметр 2, конденсатор с переменной величиной емкости 3, который может отключаться и включаться с помощью ключа 5, и индуктивный преобразователь 4. Второй колебательный контур содержит последовательно соединенные амперметр 6, конденсатор с переменной величиной емкости 7 и индуктивный преобразователь 8. Вывод генератора 1, к которому подключены выходы индуктивных преобразователей 4 и 8, образует электрическую шину (общий проводник, к которому подключаются другие электрические элементы). Разностный сигнал переменного тока от входов индуктивных преобразователей 4 и 8 преобразуется в сигнал постоянного тока с помощью двух полупроводниковых детекторов диодов 9 и 12 и двух электрических RC-фильтров, состоящих из конденсаторов 10 и 12 и резисторов 11 и 14, имеющих потенциометрические выводы. К потенциометрическим выводам резисторов 11 и 14 подключен вольтметр 15.
L
С
C
L
Первый последовательный резонансный контур настраивается на резонансное явление, возникающее при условии равенства величины реактивного сопротивления конденсатора 3 удвоенной величине реактивного сопротивления индуктивного преобразователя 4. Это достигается следующим образом. Для цепи из последовательно соединенных конденсатора и индуктивного преобразователя, подключенной к источнику переменного напряжения, короткое замыкание пластин конденсатора не приводит к изменению амплитуды тока в индуктивном преобразователе, когда величина удвоенного реактивного сопротивления индуктивного преобразователя X равна величине реактивного сопротивления конденсатора Х. Это видно из уравнения тока в преобразователе при включенном в цепь и выключенном из цепи конденсаторе при условии X=2X.
д
где R - активное сопротивление преобразователя (датчика).
С
L
При невыполнении условия Х=2X уменьшается величина тока индуктивного преобразователя.
С
L
Второй последовательный резонансный контур настраивается на явление резонанса напряжений. Оно возникает при условии равенства величины реактивного сопротивления конденсатора 7 величине реактивного сопротивления индуктивного преобразователя 8, т.е. Х=X.
Частота переменного тока генератора при электромагнитном контроле и оценке механической прочности резьбового соединения труб в скважинах с помощью муфт, фиг.3, устанавливается такой, при которой глубина распределения вихревых токов, возникающих в электропроводящем материале, была бы равна не более суммы толщины стенки трубы и половины толщины стенки муфты. Расчет распределения вихревых токов по глубине h электропроводящего материала производится по формуле (Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник. Под ред. Г.С.Самойловича. М., Машиностроение, 1986, стр.208).
h=1/√πfσµ,
где π - число 3,14; f - частота переменного тока,
σ - электрическая проводимость; µ - магнитная проницаемость.
При размещении индуктивных преобразователей в зоне контроля механической прочности муфтовых соединений труб в скважинах и наружного образца муфтового соединения необходимо обеспечить центровку индуктивного преобразователя. Это достигается тем, что индуктивный преобразователь (катушка) размещается на каркасе, выполненном из пластмассы с малым коэффициентом трения скольжения (например, фторопласт), ширина намотки катушки меньше длины резьбовой части муфты, каркас выполняется длиной не менее чем в три раза больше длины муфты и должен перемещаться в муфтовых соединениях трубы со свободным сложением.
C
L
Измерение предлагаемым устройством осуществляется следующим образом. В электромагнитное поле первого и второго индуктивных преобразователей размещают в доступном для контроля образце с заведомо исправным резьбовым соединением трубы скважины с помощью муфты (фиг.3). Изменяют величину емкости конденсатора 3 первого резонансного контура и при работающем ключе 5 добиваются отсутствия колебания стрелки амперметра 2. Так создают условие равенства X=2X, при котором работает первый резонансный контур. Ключ 5 оставляют в разомкнутом состоянии (фиг.4).
L
С
Изменяют величину емкости конденсатора 7 второго резонансного контура и добиваются максимального показания амперметра 6. Это одно из условий возникновения резонанса напряжений, когда X=Х (фиг.4).
Изменяют положения потенциометрических выводов резисторов 11 и 14, добиваются отсутствия показания вольтметра 15 (фиг.4).
Индуктивный преобразователь первого резонансного контура помещают поочередно в муфтовые соединения по всей длине трубы в скважине (фиг.3) и по отклонению от нулевого значения показания вольтметра 15 (фиг.4) судят о механической прочности конкретного муфтового соединения трубы в скважине. Резьбовое соединение трубы с помощью муфты может быть нарушено коррозионным процессом, либо когда в начале эксплуатации резьбовое соединение выполнено некачественно.
Измерения предлагаемым устройством позволят предупредить при выемке трубы, например скважинного насоса, аварию, которая значительно усложнит ремонт скважины.