МАГНИТНЫЙ ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля ферромагнитных объектов и может быть использована при наружной дефектоскопии газо - и нефтепроводов.
Контроль состояния труб магистральных трубопроводов становится все более актуальным в связи с увеличением протяженности трубопроводного транспорта и его старением. Особую значимость в настоящее время в условиях увеличения сроков эксплуатации газопроводов, роста числа аварийных ситуаций приобретает разработка и освоение современных методов и средств диагностирования.
Достоверная диагностика позволяет оценить техническое состояние подземных трубопроводов, определить безопасные технологические режимы их функционирования, установить необходимость и очередность вывода участков трубопроводов в ремонт, а также прогнозировать их остаточный ресурс.
Важной задачей для магнитного диагностирования трубопроводов является разработка устройств для наружного обследования, позволяющих визуализировать магнитные поля рассеяния от дефектов, определять характер, форму и ориентацию дефектов в трубопроводе, измерять их геометрические параметры: длину, глубину и раскрытие.
Известно устройство для наружного неразрушающего контроля стенок труб [патент РФ 2402760], управляемое самоходное шасси, содержащее тележку с несущей рамой, колесную ходовую подвеску, электрический ходовой привод и автономный источник энергии. На раме смонтированы одометр, датчики средств неразрушающего контроля, выполненные в виде вихретоковых преобразователей, устройство сбора информации с датчиков, бортовой компьютер, средства беспроводной передачи информации. Устройство работает следующим образом. Дефектоскоп сканирует наружную поверхность трубы группой вихретоковых датчиков и удерживается на поверхности трубы благодаря тросу, охватывающему трубу и подпружиненным прижимным роликом, закрепленным на верхней стороне дефектоскопа. Информация о координатах предполагаемых дефектов и их величине из бортового компьютера передается по радиоканалу в переносный компьютер для контроля оператором.
К недостаткам данного устройства можно отнести то, что вихретоковые датчики хорошо обнаруживают трещины, но обладают плохой чувствительностью к остальным видам дефектов (например, к коррозии) и недостаточной точностью при определении геометрических параметров дефектов. Также вследствие того, что устройство удерживается на поверхности трубы благодаря тросу, охватывающему трубу, нет возможности проводить сканирование наружной поверхности трубы в случае, когда труба лежит, к примеру, на поверхности бетонных блоков, что создает дополнительные трудности при эксплуатации данного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для обнаружения поверхностных дефектов - электронно-механический магнитный ортограф, содержащий четырехколесное шасси с несущей рамой, снабженное электроприводом, содержащим шаговые электродвигатели кинематически связанные с колесами [патент РФ 2115114].
На раме закреплены магнитная система, строчный преобразователь магнитного поля, управляющий электронный блок, блок управления шаговыми двигателями, видеоконтрольное устройство и источник питания, представляющий собой аккумуляторную батарею. Магнитная система включает П-образный электромагнит.
Магнитный ортограф устанавливают на поверхности объекта контроля, при этом, между полюсами магнитной системы и объектом контроля сохраняется зазор. Устройство перемещается по поверхности объекта шаговыми двигателями, кинематически связанными с колесами. Расстояние перемещения задается управляющим электронным блоком, который задает необходимые параметры и координаты блоку управления шаговыми двигателями. Управление ортографом осуществляется оператором с пульта управления. Данные измерения отображаются видеоконтрольным устройством.
П-образный электромагнит создает тангенциальное магнитное поле. Во время сканирования строчный преобразователь магнитного поля измеряет топографию магнитных полей рассеяния от дефектов. По топографии магнитного поля восстанавливают форму и глубину дефектов с помощью различных методов решения обратной задачи магнитостатики.
При тангенциальном намагничивании амплитуда полей рассеяния от дефектов зависит как от глубины, так и от формы дефекта, что существенно снижает точность определения глубины и формы дефекта по топографии полей рассеяния с помощью решения обратной задачи магнитостатики. Решение обратной задачи магнитостатики при данной геометрии намагничивающего поля приводит к существенному снижению точности при восстановлении глубины и формы дефектов. Также при тангенциальном намагничивании необходимо проводить сканирование в двух направлениях для определения продольных и поперечных дефектов.
Кроме того, к недостаткам данного устройства можно отнести большое потребление им энергии и большую массу самого устройства
В основу полезной модели положена задача увеличения точности определения глубины и формы дефекта и расширения его функциональных возможностей за счет создания магнитного поля, направленного перпендикулярно исследуемой поверхности, при снижении массы устройства и потребления им электроэнергии.
Поставленная задача решается тем, что в магнитном дефектоскопе для обнаружения поверхностных дефектов трубопроводов, содержащем четырехколесное шасси с несущей рамой, снабженное электроприводом из шаговых электродвигателей, которые кинематически связанны с колесами, а электрически - через блок управления шаговыми двигателями с источником питания, закрепленные на раме магнитную систему, строчный преобразователь магнитного поля, управляющий электронный блок и видеоконтрольное устройство, согласно полезной модели, магнитная система выполнена в виде двух постоянных магнитов с зазором 10-20 мм между ними и укрепленных на расстоянии 10-20 мм от опорной поверхности колес, при этом постоянные магниты укреплены так, что направление их намагниченности перпендикулярно опорной поверхности колес. Магниты выполнены из материала NdFeB, длина магнитной системы выбирается равной ширине строчного преобразователя магнитного поля, а ширина и высота магнитной системы - менее 40 мм для того, чтобы величина магнитной индукции между магнитами и опорной поверхностью колес не превышала 1 Тл. Строчный преобразователь магнитного поля содержит линейку датчиков Холла, которые измеряют нормальную составляющую магнитного поля рассеяния, подпружиненных к поверхности трубопровода и одновременно фиксируемых в центре зазора между постоянными магнитами с помощью упругих ласт. Информационные выходы датчиков Холла соединены с информационными входами управляющего электронного блока, управляющие выходы которого соединены с управляющим входами блока управления шаговыми двигателями, а информационные выходы соединены с информационными входами видеоконтрольного устройства.
При этом магнитный дефектоскоп может быть снабжен одометром, соединенным с управляющим электронным блоком, и установленным на раме с помощью телескопической упругой штанги.
Физическая сущность измерительных процессов заявляемого устройства заключается в том, что выбранное расположение постоянных магнитов и направление их намагниченности в устройстве при расположении устройства на поверхности трубы обеспечивает нормальное намагничивание стенки трубопровода индукцией менее 1 Тл. При этом поверхность последнего становится эквипотенциальной поверхностью, и силовые магнитные линии поля входят в стенку трубы перпендикулярно поверхности этой стенки. В таком случае топография нормальной составляющей магнитного поля, измеренная строчным преобразователем магнитного поля во время сканирования, практически повторяет эквипотенциальную линию, а значит и описывает топографию дефектов. То есть при данной геометрии намагничивающего поля, обусловленного конструкцией устройства, не требуется решения обратной задачи магнитостатики, и это увеличивает точность при восстановлении глубины и формы дефектов. Более того, заявляемое устройство позволяет обнаружить как продольные, так и поперечные дефекты за одно сканирование, так как намагничивание происходит перпендикулярно поверхности стенки трубы, что расширяет функциональные возможности устройства.
Предлагаемое устройство имеет небольшую массу, так как не требует промагничивания всей толщины стенки трубы до насыщения, и потребляет незначительное количество энергии из-за незначительного пондеромоторного притяжения магнитной системы к стенке трубы.
Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявленной моделью, заключается в выполнении магнитной системы устройства, которая обеспечивает создание магнитного поля с направлением намагниченности по нормали к исследуемой поверхности и измерении нормальной составляющей магнитного поля для повышения точности при определении профиля внешней поверхности трубы.
На фиг.1 показан вид заявляемого устройства сверху в сечении А-А;
на фиг.2 приведен вид устройства с боку;
на фиг.3 раскрыта электрическая блок схема устройства.
Устройство для обнаружения поверхностных дефектов (с нормальным полем подмагничивания) (фиг.1) содержит четырех колесное шасси с несущей рамой 1, на которой установлены магнитная система 2, строчный преобразователь 3 магнитного поля, электронный блок 4, видеоконтрольное устройство 5, блок аккумуляторов 6, два шаговых электродвигателя 7, которые через редукторы соединены с ведущими колесами 8, и одометр 9.
Магнитная система 2 включает в себя два постоянных магнита 10, выполненых из NdFeB, с зазором между ними, равным L=10÷20 мм, расположенных на расстоянии D=10÷20 мм от опорной поверхности колес 8. Направление намагниченности постоянных магнитов 10 перпендикулярно опорной поверхности колес 8.
Строчный преобразователь 3 магнитного поля содержит линейку датчиков 11 Холла для измерения нормальной компоненты магнитного поля, оснащенных упругими элементами - ластами 12 для прижатия датчиков 11 Холла к внешней поверхности трубопровода 13. Одометр 9 присоединен к раме 1 с помощью телескопической упругой штанги 14.
Электронный блок 4 содержит процессор 15, запоминающее устройство 16 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 17. Выходы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 17 соединены с информационными входами процессора 15. Информационные выходы процессора 15 соединены с информационными входами запоминающего устройства 16 и видеоконтрольного устройства 5. Управляющие выходы процессора 15 соединены с входом блока 18 управления шаговыми электродвигателями 7, выходы которого непосредственно соединены с обмотками шаговых электродвигателей 7.
Электрический выход источника питания (блок аккумуляторов) 6 подключен ко всем модулям и элементам управляющего электронного блока 4 и силовым входам блока 18 управления шаговыми электродвигателями 7.
Информационные выходы датчиков 11 Холла соединены с информационными входами аналого-цифрового преобразователя 17, информационный выход датчика перемещения - одометра 9 также соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя 17. Информационные входы АЦП 17 являются информационными входами управляющего электронного блока 4.
Устройство работает следующим образов. В процессе перемещения магнитного дефектоскопа по внешней поверхности трубопровода 13 с помощью линейки датчиков Холла 11 измеряют нормальную компоненту магнитного поля вблизи поверхности трубопровода 13. Измерения осуществляют через определенный, заранее выбранный интервал времени, который задает шаг сканирования. Одновременно фиксируют показания линейки всех датчиков 11 Холла синхронно с показаниями одометра 9. Результаты измерений магнитного поля и координаты перемещения преобразуются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 17 в цифровую форму и передаются в процессор 15, который по специальным алгоритмам рассчитывает топографию магнитного поля и заносит данные в запоминающее устройство 16.
Видеоконтрольное устройство 5 позволяет визуализировать топографию магнитного поля в полевых условиях непосредственно в процессе движения дефектоскопа, либо в лабораторных условиях на основе сохраненных данных в запоминающем устройстве 16.
Устройство позволяет выявить дефекты внешней поверхности трубопровода и определить глубину и форму выявленного дефекта с высокой точностью. Кроме того, устройство позволяет определять как продольные, так и поперечные дефекты за одно сканирование.