ВНУТРИТРУБНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ СКАНЕР

Полезная модель относится к устройствам наблюдения за состоянием трубопроводов большой протяженности, а именно, для определения дефектов стенок нефтегазопродуктопроводов путем пропуска внутри обследуемого трубопровода диагностического снаряда, записи в бортовом компьютере данных акустического сканирования, и последующего определения параметров дефектов трубопровода по накопленным данным.
Известен метод возбуждения и приема ультразвуковых волн и устройство для его реализации (США, патент 4100809, оп. 18.07.1978 г.). Устройство содержит подвижную платформу на роликах, которая перемещается вдоль трубы. На подвижной платформе установлены намагничивающая система и электромагнитная акустическая измерительная система. Намагничивающая система содержит магнит, S-образный магнитопровод, состоящий из центрального стержня и двух боковых стержней. На центральном стержне укреплены две встречно включенные намагничивающие катушки. На концах боковых стержней установлены полюсные наконечники, каждый из которых выполнен в виде пакета платин с регулируемой кривизной рабочей поверхности. Боковые стержни выполнены с возможностью поворота вокруг оси центрального стержня. Электромагнитная акустическая измерительная система расположена на направляющей, между полюсными наконечниками и симметрично оси центрального стержня и представляет собой две высокочастотные катушки индуктивности. Высокочастотная катушка имеет плоскую прямоугольную форму, причем проекция витков катушки на плоскость имеет форму меандра, где плечо меандра существенно меньше бокового ребра.
В основе работы устройства лежит электромагнитно-акустический (ЭМА) способ возбуждения и приема ультразвуковых колебаний. Устройство работает следующим образом. Устройство устанавливают на контролируемую трубу и перемещают вдоль ее. Поворачивая боковые стержни вокруг шарнирных осей и придавая наконечникам кривизну трубы, формируют намагничивающий пояс электромагнита. Включают питание намагничивающих катушек и преобразователей. Через наконечники в стенках трубы наводится постоянное подмагничивающее поле, составляющее с направлением излучения преобразователя определенный угол, зависящий от взаимного расположения преобразователей и полюсных наконечников. Изменяя взаимное расположение полюсных наконечников и преобразователей, можно возбудить в теле трубы нормальные продольные волны, нормальные поперечные волны или оба типа волн одновременно.
Для контроля широкой зоны трубы теневым методом устанавливают центральный наконечник прямоугольной формы и полюсные наконечники на одной линии с преобразователями. При теневом методе контроля продольными нормальными волнами локальной зоны трубы расположение полюсных наконечников и преобразователей то же, но центральный полюсный наконечник имеет круглую форму, а преобразователи установлены фокусирующие. При теневом методе контроля поперечными нормальными волнами угол между направлением излучения преобразователя и направлением подмагничивающего поля составляет 20-60°. Это достигается тем, что полюсные наконечники расположены таким образом, что направление подмагничивающего поля с направлением измерения составляет 20-60°. Угол между вектором поля подмагничивания и направления излучения радиации выбирается в соответствии с зависимостями амплитуд продольных волн и поперечные волны для этого угла, чтобы высокочастотные катушки индуктивности излучали поперечные или продольные нормальные волны либо оба типа волн одновременно.
Недостатком устройства является то, что устройство предназначено для измерения дефектов снаружи трубопровода и тем самым не позволяет работать с уже проложенными трубопроводами. Кроме того, излучатель и приемник расположены в одной точке, что позволяет получать только один эхо-сигнал. Такая конфигурация системы электромагнитно-акустических датчиков позволяет установить наличие дефектов, но не позволяет определить размеры и конфигурацию дефекта, а типы трещин, расположенные вдоль движения фронта волны, не регистрируются.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к заявляемой полезной модели является внутритрубный ультразвуковой снаряд для определения толщины стенок (США, патент 7111516, оп. 26.09.2006 г.).
Устройство содержит корпус, на торцах которого расположены опорно-двигательные элементы, и акустическую измерительную систему, выполненную в виде двух акустических поясов, каждый из которых содержит акустические модули, включающие приемно-излучающие ультразвуковые датчики, подпружиненных к стенке трубы гибкими эластичными элементами. Корпус образует взрывонепроницаемую оболочку, в которой располагаются источник питания и электронная аппаратура для измерений, обработки и хранения получаемых данных измерений на основе бортового компьютера, управляющего работой снаряда в процессе его движения внутри трубопровода. В качестве источника питания устанавливаются аккумуляторные батареи или батареи гальванических элементов емкостью до 1000 Ач. В хвостовой части снаряда установлены ультразвуковые датчики, попеременно излучающие и принимающие ультразвуковые импульсы. Установленные на корпусе снаряда полиуретановые манжеты обеспечивают центровку снаряда внутри трубопровода, а также обеспечивают продвижение снаряда потоком перекачиваемой по трубопроводу среды. Колеса установленных на корпусе дефектоскопа одометров прижимаются к внутренней стенке трубопровода. При движении снаряда информация о длине пройденного пути, измеренная одометрами, записывается в накопитель бортового компьютера и позволяет после выполнения диагностического пропуска и обработки накопленных данных определить положение дефектов на трубопроводе и соответственно место последующей экскавации и ремонта трубопровода.
Электронная часть дефектоскопа в наиболее простом исполнении включает в себя последовательно подключенные генератор запускающих импульсов, датчик, усилитель, дифференцирующую цепочку, компаратор, цифровой счетчик, процессор, накопитель цифровых данных, а также источник опорного напряжения и тактовый генератор.
Устройство работает следующим образом. Снаряд-дефектоскоп помещают в трубопровод и включают перекачку продукта (нефти, нефтепродукта) по трубопроводу. В процессе движения внутритрубного ультразвукового дефектоскопа внутри трубопровода ультразвуковые датчики периодически испускают ультразвуковые импульсы с частотой 5 МГц, которые частично отражаются от внутренней стенки трубопровода, от внешней стенки трубопровода или от области дефекта, например расслоения металла в стенке трубы. После испускания ультразвуковых импульсов ультразвуковые датчики переключаются в режим приема отраженных импульсов и принимают импульсы, отраженные от внутренней стенки, импульсы, отраженные от внешней стенки трубы, либо импульсы, отраженные от области дефекта стенки.
По завершении контроля заданного участка трубопровода снаряд-дефектоскоп извлекают из трубопровода и переносят накопленные в процессе диагностического пропуска данные на компьютер вне снаряда. Последующий анализ записанных данных позволяет идентифицировать дефекты стенки трубопровода и определить их положение на трубопроводе с целью последующего ремонта дефектных участков трубопровода.
Основным недостатком данного устройства является то, что оно работает только в жидких средах, например, в нефтепроводах. Снаряд не может работать в газопроводах.
Сущность полезной модели заключается в том, что внутритрубный электромагнитно-акустический сканер содержит корпус (ярмо), на торцах которого расположены опорно-двигательные элементы, намагничивающую систему, выполненную в виде установленных на корпусе двух намагничивающих поясов из постоянных магнитов, на концах которых закреплены щетки, причем постоянные магниты в каждом из намагничивающих поясов имеют радиальную, но противоположную намагниченность, измерительную систему, расположенную между намагничивающими поясами, содержащую два электромагнитно-акустических пояса, каждый из которых содержит расположенные равномерно по периметру приемно-излучающие электромагнитно-акустические датчики, которые прижимаются с помощью упругих элементов к внутренней поверхности трубопровода, приемно-излучающие электромагнитно-акустические датчики расположены под углом 45° к вектору намагничивания, причем соседние приемно-излучающие электромагнитно-акустические датчики в каждом из измерительных поясов ортогональны между собой, а каждый из приемно-излучающих электромагнитно-акустических датчиков выполнен в виде пластинки, на которой расположены плоские приемная и излучающая обмотки, намотанные в форме меандра, где плечо меандра существенно меньше бокового ребра, которое обеспечивает диаграмму направленности приема и излучения сигналов.
Двухрядное расположение приемно-излучающих электромагнитно-акустических датчиков, а также их расположение под углом ±45° к вектору намагничивания позволяет, путем ортогонального четырехпозиционного сканирования, получить 16 проекций ультразвуковой картины каждого дефекта. Соответственно, 12 проекций отраженных сигналов и 4 проекции прошедших через дефект сигналов при ультразвуковом излучении с 4-х различных направлений. Полученные сигналы после обработки с помощью специальных программ позволяют получить графическое изображение дефекта и его параметры. Описанный процесс напоминает рентгеновскую томографию.
Детальное изложение конструкции устройства и его принципа действия иллюстрировано чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид устройства;
на фиг.2 изображено устройство, вид сбоку;
на фиг.3 дано сечение верхней части устройства, запассованного в трубопровод с двумя измерительными поясами;
на фиг.4 дана развертка трубы с двумя намагничивающими поясами и двумя измерительными поясами из электромагнитно-акустических датчиков;
на фиг.5 представлена конструкция электромагнитно-акустического датчика;
на фиг.6 показана геометрия излучающих и приемных ЭМА катушек, установленных с диаграммой направленности под углом 45° к направлению постоянного подмагничивания поля, и формирование нормальной поперечной ультразвуковой волны в теле трубы;
на фиг.7 дана электрическая блок-схема устройства.
Устройство конструктивно выполнено в виде внутритрубного снаряда и содержит цилиндрический корпус (ярмо) 1, выполненный из магнитомягкого материала (фиг.1, 2, 3). На торцевых гранях корпуса 1 установлены опорно-двигательные элементы 2, которые обеспечивают центровку устройства в трубопроводе и несут на себе вес устройства. Перепад давления, создаваемый плотным прилеганием опорно-двигательных элементов 2 к стенкам 3 трубопровода, обеспечивает перемещение устройства в обследуемом трубопроводе потоком транспортируемого по нему продукта. Опорно-двигательные элементы 2 могут быть выполнены в виде манжет, изготовленных из износостойкого полиуретана большой прочности, либо в виде дисков, также изготовленных из полиуретана. В носовой части устройства крепится скоба 4 и обтекатель 5. На концах опорно-двигательных элементов 2 могут быть установлены ролики 6 и датчики пройденного пути - одометры 7. Скоба 4 используется при транспортно-погрузочных работах, для установки устройства в трубопровод, а также для сцепления его с дополнительным измерительным устройством при создании многосекционного устройства. Внутри корпуса 1 выполнены средства для регулирования скорости движения снаряда в виде регулируемого байпасного патрубка для перепуска транспортируемого по трубопроводу продукта, а также размещены дополнительные измерительные датчики (на чертежах не показаны).
Намагничивающая система устройства состоит из ярма 1 и двух намагничивающих поясов, каждый из которых содержит пояс постоянных магнитов, соответственно 10 и 11, установленных на ярме 1, и пояс гибких магнитных щеток, соответственно 12 и 13, закрепленных на торцах магнитов 10 и 11. Направление намагничивания в постоянных магнитах 10 и 11 взаимно противоположное и направлено радиально от ярма 1 к трубе 3 (фиг.3).
Между намагничивающими поясами расположена измерительная система, содержащая два измерительных пояса, каждый из N приемно-излучающих электромагнитно-акустических (ЭМА) датчиков, соответственно 14 и 15. Приемно-излучающие электромагнитно-акустические датчики 14 и 15 расположены равномерно по периметру и прижимаются к внутренней поверхности трубопровода 3 с помощью упругих элементов ("ласт"), соответственно 16 и 17 (фиг.3).
Конструктивно, каждый из N приемно-излучающих электромагнитно-акустических (ЭМА) датчиков 14.1-14.N и 15.1-15.N соответственно первого и второго измерительных поясов представляет собой плоскую пластинку 18, на которой выполнены плоская излучающая обмотка Т и плоская принимающая обмотка R (Фиг.5). Высокочастотные излучающие Т и приемные R обмотки имеют плоскую прямоугольную форму, причем проекция витков обмоток на плоскость датчика имеет форму меандра, где плечо меандра существенно меньше бокового ребра. Таким образом, боковые ребра определяют диаграмму направленности излучения и приема электромагнитно-акустических волн, причем ось диаграммы направленности перпендикулярна боковому ребру и проходит посередине высокочастотных обмоток Т и R (фиг.5, 6).
В каждом из поясов электромагнитно-акустические датчики 14 и 15 установлены так, что их диаграмма направленности расположена под углом 45° к вектору намагничивания. Причем, соседние датчики в каждом из поясов ортогональны между собой (фиг.4).
Внутри корпуса 1 (фиг.7) расположены бортовой блок питания 8 и компьютер 9. Блок 8 питания содержит батарейную секцию 19, модуль 20 преобразования напряжения батареи в напряжение, необходимое для питания электронных модулей, искрозащитный модуль 21 и модуль распределения питания 22. Электрически выход батарейной секции 19 подключен к входу модуля преобразования напряжения 20, выходы которого подключены через искрозащитный модуль 21 к модулю распределения питания 22. Выходы модуля распределения питания 22 подключены ко всем электронным модулям и элементам устройства. Бортовой компьютер 8 содержит процессор 23, блок 24 аналого-цифрового преобразования данных измерений и запоминающее устройство 25 на базе твердотельной интегральной схемы.
Устройство содержит также дополнительные датчики. Датчик 26 внешнего давления, датчик 27 углового поворота и датчик 28 температуры. Информационные выходы одометра 7, датчика 26 внешнего давления, датчика 27 углового поворота и датчика 28 температуры подключены к соответствующим входам блока 24 аналого-цифрового преобразования.
Устройство содержит генератор 29 и коммутатор 30. Информационные выходы 31 коммутатора 30 соединены с информационными входами блока 24 аналого-цифрового преобразования, а измерительные входы 32 и 33 коммутатора 30 соединены соответственно с выводами принимающих обмоток 14.R1-14.RN и 15.R1-14.RN датчиков 14 и 15 первого и второго измерительного пояса. Выход генератора 29 соединен с входом 34 коммутатора 30. Измерительные выходы 35 и 36 коммутатора 30 соединены соответственно с выводами излучающих обмоток 14.Т1-14.TN и 15.Т1-14.TN датчиков 14 и 15 первого и второго измерительного пояса.
Управляющий выход процессора 23 соединен с управляющим входом коммутатора 30.
Через шлюзовую камеру устройство - внутритрубный снаряд вводится в начало контролируемого участка трубопровода 3. Причем на период контроля трубопровода 3 подача транспортируемого продукта через него не прекращается. Оптимальная расчетная скорость движения внутритрубного снаряда по трубе составляет 1÷3 м/с при скорости движения транспортируемого продукта, например газа, до 17 м/с. Скорость передвижения обеспечивается, так называемой "байпасной" системой взаимодействия транспортируемого продукта и внутритрубного снаряда, при которой транспортируемый продукт, обтекая элементы конструкции снаряда, создает аэродинамическую силу, заставляющую снаряд непрерывно перемещаться в направлении потока транспортируемого продукта.
При движении устройства по трубопроводу 3 бортовой компьютер 9, управляя коммутатором 30, организует циклы акустических измерений, попеременно включая излучающие Т и принимающие R обмотки каждого из N приемно-излучающих электромагнитно-акустических датчиков 14 и 15. При этом, коммутатор 30 сначала подключает соответствующие излучающие обмотки Т к генератору 29, а затем соответствующие принимающие обмотки R к блоку 24 аналого-цифрового преобразования. Количество одновременно подключаемых излучающих Т и принимающих R обмоток и порядок их подключения задается программой компьютера 9. Данные измерений оцифровываются и записываются в запоминающем 25 устройстве бортового компьютера 9. Одновременно записываются сигналы от других датчиков, в частности, одометра 7.
По завершении контроля заданного участка трубопровода 3 устройство извлекают из трубопровода 3 и накопленные в процессе диагностики данные переносят на стационарный компьютер. Последующий анализ записанных данных позволяет сделать вывод о наличии дефектов и определить их размеры и месторасположение на трубопроводе 3.
В основе работы устройства лежит электромагнитно-акустический (ЭМА) способ возбуждения и приема ультразвуковых колебаний. Между двумя намагничивающими поясами создается область продольного намагничивания за счет ярма, радиально намагниченных постоянных магнитов 10 и 11 и щеток 12 и 13, выполненных из магнитомягкого материала. Щетки 12 и 13 замыкают магнитный поток от магнитов 10 и 11 к трубе 3 без воздушного зазора. Замыкание магнитного потока от магнитов к трубе через гибкие магнитомягкие щетки 12 и 13 обеспечивает необходимую величину напряженности магнитного поля в стенке трубопровода.
с
Приемно-излучающие электромагнитно-акустические датчики 14 и 15 расположены таким образом, что ось диаграммы направленности каждого из них составляет угол 45° к вектору намагничивания Н (фиг.4, 6), причем, соседние датчики в каждом поясе ортогональны друг другу. Таким образом создается конструкция, в которой измерительный пояс содержит ряд датчиков, чередующихся под углом плюс 45° и минус 45°. Излучаемый Т датчиком ультразвуковой импульс распространяется по стенке трубопровода и, в случае появления на его пути дефекта 37, часть излучения отражается, часть рассеивается, а часть проходит в прежнем направлении. Эти отраженные и прямые сигналы регистрируются принимающими R датчиками. Устройство позволяет использовать метод эхо локации и теневой метод локации.
Цикл измерений задается бортовым компьютером 9. Процессор 23 бортового компьютера 9 по программе, находящейся в запоминающем устройстве 25, выдает сигналы на коммутатор 30. Сначала подается управляющий сигнал на коммутатор 30, который соединяет генератор 29 с, например, выводами излучающей обмотки 15.2Т датчика 15.2, в результате чего формируется импульс с высокочастотным заполнением, который возбуждает в стенке трубы звуковую волну. Затем генератор 29 отключается и подключаются принимающие R обмотки датчиков 15 и 14. Как видно из фиг.4, с учетом приемной диаграммы направленности, отраженные от дефекта сигналы будут регистрироваться в основном обмотками 15.5R, 14.2R и 15.2R, а прошедшие через дефект обмоткой 14.5R. Далее, информационные сигналы через коммутатор 31 и блок 24 аналого-цифрового преобразования поступают в запоминающее устройство 25. Затем осуществляется второй цикл измерений, при подключении генератора 31 к соседнему излучающему датчику 15.2Т, ориентированного ортогонально предыдущему датчику 15.1Т.