СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ВНУТРЕННИХ ЗАЩИТНО-ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ТРУБОПРОВОДОВ
METHOD AND DEVICE FOR SCANNING FLAW DETECTION OF INTERNAL PROTECTIVE-INSULATING COATINGS OF PIPELINES

Область техники, к которой относится изобретение: диагностика техсостояния трубопроводов.
Предлагаемое решение относится к области диагностики техсостояния трубопроводов, и может быть использовано при дефектоскопии внутренних защитно-изоляционных покрытий, во избежание неконтролируемого вскрытия защитных покрытий и повреждения стенки трубы.
Уровень техники
1. Известен «Внутритрубный ультразвуковой инспекционный прибор» «УЗВИП» от компании ООО "ИНТРОН ВТД" (http://intron-vtd.ru/3.html).
Прибор позволяет:
- Измерять толщину стенки исследуемой трубы;
- Измерять внутренний профиль трубы;
- Обнаруживать расслоения в стенке трубы;
- Определять дефекты и аномалии трубы, включая несанкционированные врезки;
- Диагностировать трубы из немагнитных материалов, включая полиэтиленовые и из нержавеющей стали.
В том числе прибор имеет возможность измерения толщины внутреннего защитно-изоляционного покрытия.
Но прибор не предназначен для поиска мелких дефектов внутреннего защитно-изоляционного покрытия, которые приводят к протечкам агрессивной рабочей среды трубопровода к металлической стенке и являются причиной ее активного разрушения.
2. Известен электроискровой метод диагностики изоляционных покрытий.
Один из вариантов исполнения: «Электроискровой дефектоскоп КОРОНА 1В (Цифровой)» от компании «АНК», г. Пермь (http://ank-ndt.m/produkcziya/kontrol-izolyaczii/elektroiskrovyie-defektoskopyi/korona-lv.html).
«Прибор предназначен для контроля трещин, пористости, недопустимых утонений и других нарушений сплошности защитных покрытий внутри труб.
Особенности:
- высокая безопасность работы за счет импульсного режима работы;
- специализированный дисковый электрод с опорными колесами, позволяющий контролировать трубы заданного типоразмера с большим разбросом проходного диаметра;
- специализированная сборная система подачи и перемещения дискового электрода внутри трубы с опорными колесами;
- возможность контроля сплошности покрытий конструкций после сборки (сварки) на длину до 14 м.»
Метод применим только в сухой короткой трубе. Если трубопровод в эксплуатации, и заполнен любым видом жидкости, метод неприменим в принципе.
3. В статье «Метод диагностики внутреннего антикоррозионного покрытия трубопроводов», А.А. Кундик (ООО «Газпромнефть-Оренбург») Журнал «PROнефть» (http://ntc.gazprom-neft.ru/research-and-development/proneft/1236/20535/) предлагается:
3.1. «Предлагаемый метод определения места нарушения целостности изоляции трубы основан на способности подтоварной воды проводить электрический ток. Создается разомкнутая цепь с «плюсом» на высокочувствительном приборе, который подсоединяется к металлу трубы в зоне самого уязвимого места (сварного шва), «минусом» на электролите - подтоварной воде. После подачи тока на сварной шов в случае нарушения целостности изоляции цепь замкнется, и прибор покажет наличие тока. Если диэлектрический (изоляционный) слой не нарушен, цепь остается разомкнутой, и прибор показывает отсутствие тока. Основной недостаток данного метода заключается в локальном характере контроля участка трубопровода. Он применим только для выявления брака при монтаже втулок, изолирующих сварные соединения трубопровода. При этом, проблема определения пробоя внутреннего изоляционного покрытия по трассе трубопровода остается неразрешенной.»
Там же («Метод диагностики внутреннего антикоррозионного покрытия трубопроводов», А.А. Кундик (ООО «Газпромнефть-Оренбург») Журнал «РROнефть»):
3.2. «Однако есть возможность решить поставленную задачу, основываясь на природе электромагнитного поля. Изолированный участок трубопровода, заполненный электролитом, является проводником электрического тока, следовательно, при подаче тока во внутритрубное пространство вокруг электролита неизбежно будет образовываться магнитное поле. В продольном сечении трубопровода магнитное поле распространяется в виде синусоиды. В месте нарушения изоляции синусоида будет выходить за пределы эталонных значений. Таким образом, при фиксировании значения магнитного поля специальным прибором появляется возможность определения мест повреждения изоляции по всей длине смонтированного трубопровода.»
Метод также не нашел широкого применения в связи с неоднозначностью результатов, сложности измерений на пересеченной местности, в условиях существенного заглубления исследуемого трубопровода, а также воздействия окружающих шумовых факторов.
0
к
4. Одним из близких по технической сущности к заявляемому изобретению является способ измерения при боковом каротаже трехэлектродным зондом (см., например, С.С. Итенберг, Т.Д. Дахкильгов. Геофизические исследования в скважинах. М.: «Недра», 1982. С. 108, 131, 132), при котором на центральный и экранные электроды зонда, соединенные между собой для уравнивания их потенциалов электрическим шунтом малого (≈0,01 Ом) сопротивления, подают питающий переменный ток, измеряют ток I центрального электрода и потенциал ΔU экранных электродов относительно электрода сравнения и определяют кажущееся удельное сопротивление Р горных пород. (Фиг. 1).
Физические основы метода.
«Боковым каротажем называют измерения кажущегося сопротивления по стволу скважины трехэлектродным зондом бокового каротажа с автоматической фокусировкой тока. Зонд имеет центральный электрод Ао (Фиг. 2), симметрично по отношению к которому расположены соединенные между собой удлиненные экранирующие электроды (А 1-0 и А1-1).
При измерении кажущегося сопротивления обеспечивается одинаковый потенциал всех электродов. Таким образом, экранные электроды препятствуют растеканию тока центрального электрода по скважине и обеспечивают направление его непосредственно в исследуемый пласт (Фиг. 3)».
Данный способ измерения предназначен для измерения сопротивления пород в скважинах, и конечно не предназначен для диагностики техсостояния труб.
5. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ измерения, описанный в Заявке на изобретение № 2017123805/06 (041330) «Способ и устройство для дефектоскопии внутренних защитно-изоляционных покрытий действующих промысловых трубопроводов»:
«Поставленная задача решается измерением утечки электрического тока, возникающей вследствие нарушения внутреннего изоляционного покрытия стального трубопровода.
Способ и устройство для дефектоскопии внутренних защитно-изоляционных покрытий трубопроводов, заключающиеся в излучении зондирующих импульсов напряжения с помощью генератора и измерении параметров импульса тока через внутреннее защитно-изоляционное покрытие трубопровода, возникающего на участке, ограниченном двумя изолирующими манжетами, герметично закрепленными на корпусе внутритрубного прибора.
Измерительная система содержит измерительный электрод «А0», а также электрод «В1» в задней части внутритрубного прибора и электрод «В2» в передней части, относительно которых производятся поочередные импульсные измерения, причем измерительный электрод подключен через низкоомный шунт для измерения параметров протекающего через него импульса тока.
С целью устранения влияния утечки электрического тока в зазоре между изолирующими манжетами, и внутренней стенкой обследуемого трубопровода, внутритрубный прибор содержит экранные электроды «Аэ1» и «Аэ2» с двух сторон от измерительного электрода, имеющие равный с ним электрический потенциал.»
Способ и устройство для сканирующей дефектоскопии внутренних защитно-изоляционных покрытий трубопроводов
Данный способ измерения высокотехнологичен и имеет хорошие перспективы для развития, но не обеспечивает локализацию дефектов по сечению трубопровода.
Сущность изобретения.
1. Задачей изобретения является выявление малогабаритных повреждений защитно-изоляционного покрытия трубопровода, вызывающих протечку перекачиваемых агрессивных жидкостей к стальной стенке трубы, вызывающих ее активное коррозионное разрушение, с локализацией дефектов по сечению трубопровода.
2. Поставленная задача решается измерением утечки электрического тока, возникающей вследствие нарушения внутреннего изоляционного покрытия стального трубопровода.
3. Локализация дефектов по сечению трубопровода обеспечивается разделением измерительной части зондовой установки внутритрубного прибора на N секторов. Физически это реализуется разделением измерительного электрода «А0» на группу электродов «A01÷A0N», либо размещением между измерительным электродом «А0» и внутренней поверхностью обследуемого трубопровода N измерительных катушек индуктивности «К1÷КN», о чем подробнее будет написано ниже.
4. Поскольку измерительные электроды (или измерительные катушки ' индуктивности) приближены к обследуемой поверхности, результаты измерений по секторам будут достаточно дифференцированными. Это позволит не только определить, в каком секторе находится дефект, но и оценить его габариты.
5. В зависимости от выбранного физического принципа измерений в секторах, возможно измерение как на постоянном токе (обычно подключаемого кратковременно), так и в импульсном режиме, анализируя параметры переходных процессов.
На Фиг. 4 представлен внутритрубный прибор для дефектоскопии внутренних защитно-изоляционных покрытий (далее «Внутритрубный прибор»), размещенный в обследуемом трубопроводе.
Стандартная комплектация внутритрубного прибора включает в себя 3 компонента:
• измерительная секция;
• радиомаяк для отслеживания прохождения внутритрубного прибора по дистанции;
• одометрические колеса, для точной привязки полученных данных.
На Фиг. 5 показана конструкция измерительной установки внутритрубного прибора.
В данном варианте измерительный электрод разбит на N секторов, и каждый из электродов «A01÷A0N» приближен к внутренней поверхности обследуемого трубопровода с помощью эластичных элементов.
В дальнейшем, для определенности с терминологией, участки измерительной установки внутритрубного прибора, разделенные изолирующими манжетами, будем называть «Секция»:
• Секция измерительных электродов;
• Секции экранных электродов.
Участки поперечного сечения внутренней поверхности обследуемого трубопровода, соответствующие измерительным электродам «A01÷A0N», или измерительным катушкам «К0÷КN», будем называть «Сектор».
На Фиг. 6. - Электрическая схема измерительной установки внутритрубного прибора с измерительными электродами «A01÷A0N».
Я не привожу в данном описании эквивалентных измерительных схем и соответствующих алгоритмов обработки. Эквивалентные электрические схемы измерений были подробно рассмотрены в Прототипе.
При сканирующих измерениях схема еще более усложнится. При разработке алгоритмов обработки данных эту схему необходимо будет обоснованно упрощать, и т.д.
В данном случае это не является целью изобретения, поэтому не усложняю.
На Фиг. 7. - Распределение токовых линий в исследуемом трубопроводе при измерениях, когда измерительный электрод разбит на N секторов.
Поскольку измерительные электроды приближены к обследуемой поверхности, результаты измерений по секторам будут достаточно дифференцированными. Это позволит не только определить, в каком секторе находится дефект, но и оценить его габариты.
Подобное конструктивное решение для разделения измерений по секторам, безусловно, на порядок более информативно, по сравнению с «интегральными» измерениями.
Но, как и любое решение, оно имеет свои достоинства и недостатки.
Поэтому в Заявке предлагается второе конструктивное решение для измерений по N секторам.
И только опыт конкретной реализации и опробования данных конструкций покажет, какое же из этих решений окажется более практичным для массового использования.
На Фиг. 9 показана конструкция измерительной установки внутритрубного прибора с измерительными катушками «К0÷КN».
В данном варианте между измерительным электродом А0 измерительной установки внутритрубного прибора и внутренней поверхностью обследуемого трубопровода размещены N измерительных катушек индуктивности «К1÷КN», причем они распределены по измерительным секторам в поперечном сечении обследуемого трубопровода, и максимально приближены к внутренней поверхности обследуемого трубопровода.
На Фиг. 10. - Электрическая схема измерительной установки внутритрубного прибора, в котором N измерительных катушек индуктивности «К1÷КN».
Схема существенно отличается от схемы с электродами «A01÷A0N», в первую очередь тем, что она в принципе не работает от постоянного напряжения. Только изменение электрического тока по внутренней проводящей среде трубопровода, проходящего через контуры измерительных катушек индуктивности, приведет к появлению напряжения на выводах катушек.
Данный вариант измерений однозначно предполагает анализ переходных процессов при импульсных сигналах, подаваемых со встроенного генератора на электроды измерительной установки внутритрубного прибора.
На Фиг. 11. - Распределение токовых линий в исследуемом трубопроводе при измерениях с измерительными катушками индуктивности «К1÷КN».
6. Как мы уже знаем из анализа «интегральных» измерительных схем, описанных в Прототипе, результаты работы таких насыщенных схем невозможно просчитать по одному измерению.
При сканирующих измерениях аналогично, кроме основных измерений, не обойтись без вспомогательных измерений.
Например, можно измерить токи утечки между секторами измерительной установки внутритрубного прибора. На Фиг. 12 (а, в) представлены схемы таких вспомогательных измерений, в данном случае для измерения утечки между секторами измерительного электрода и секторами экранных электродов.
Чем больше подобных вспомогательных измерений удастся реализовать,  тем точнее будут алгоритмы обработки данных.
К таким вспомогательным измерениям однозначно можно отнести:
• измерение электрической проводимости жидкости, заполняющей трубопровод и являющейся рабочей средой для измерительной установки внутритрубного прибора;
• группа вспомогательных измерений, позволяющих выявить дефекты в различных секторах измерительной установки внутритрубного прибора. Это позволит не только продублировать основные измерения, но позволит уточнить результаты обработки основных измерений, а также во многих случаях позволит судить о габаритах выявленных дефектов.
• группа вспомогательных измерений, позволяющих выявить дефекты в различных секторах измерительной установки внутритрубного прибора.
7. С целью привязки данных, полученных в результате измерений, к соответствующим секторам поперечного сечения обследуемого трубопровода, измерительная установка внутритрубного прибора содержит двухосевой акселерометр.
Измерения производятся в плоскости, перпендикулярной оси обследуемого трубопровода.
Техническим результатом изобретения является высококачественная дефектоскопия внутренних защитно-изоляционных покрытий трубопроводов, с локализацией дефектов по сечению трубопровода, с гораздо более точной оценкой габаритов обнаруженных дефектов.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Схема зонда бокового каротажа.
Эта, ставшая уже классической, схема зонда бокового каротажа, наглядно демонстрирует, что ток измерительного электрода направлен перпендикулярно вертикальной оси зонда, благодаря наличию экранных электродов. Поскольку потенциалы электродов «А0», «А1-0» и «А2-0» равны, это не позволяет току измерительного электрода идти по кратчайшему пути, через буровой раствор, а направляет го в породу, находящуюся напротив измерительного электрода.
Фиг. 2. Электрическая схема трехэлектродного зонда бокового каротажа (БК-3).
1 - Экранный электрод «А1-0»;
2 - Изолятор;
3 - Измерительный электрод «А0»;
4 - Изолятор;
5 - Экранный электрод «А1 -1»;
6 - Сопротивление шунта (Rш≈0,01 Ом);
7 - Перемычка, электрический контакт между экранными электродами «А1-0» и «А1-1».
Фиг. 3. Схема распределения токовых линий зондов бокового каротажа в однородной среде для трехэлектродного зонда.
Эта схема очень близка по сути изображенной на Фиг. 1, но более наглядно отображает исследуемый интервал.
Фиг. 4. Внутритрубный прибор, размещенный в исследуемом трубопроводе.
1 - устройство запуска внутритрубного прибора в трубу;
2 - обследуемая труба;
3 - одометрические колеса для измерения пройденного расстояния;
4 - измерительная установка внутритрубного прибора;
5 - соединительный шарнир;
6 - радиомаяк;
7 - камера приема внутритрубного прибора.
Фиг. 5 Конструкция измерительной установки внутритрубного прибора, с измерительными электродами «A01÷A0N».
8 - электрод «В1»;
9 - экранный электрод «Аэ1»;
10 - измерительные электроды «A01÷A0N»;
11 - эластичные элементы, обеспечивающие максимальное приближение измерительных электродов «A01÷A0N» к внутренней стенке обследуемого трубопровода, при этом не ограничивая прохождение сужений трубопровода, отводов, муфт Целера и прочих конструктивных элементов;
12 - экранный электрод «Аэ2»;
13 - электрод «В2»;
14 - изолирующие манжеты;
15 - изоляторы на корпусе внутритрубного прибора.
Фиг. 6. Электрическая схема измерительной установки внутритрубного прибора, с измерительными электродами «A01÷A0N».
Источник питания «U» подает напряжение на экранные электроды «Аэ1» и «Аэ2», а также на измерительные электроды «A01÷A0N». Причем на измерительные электроды напряжение подается через низкоомные резисторы «Rш1÷RшN», для измерения токов.
Все секции разделены между собой изоляторами, над каждым из которых устанавливается изолирующая манжета. Манжеты также являются центрирующими и тянущими, обеспечивающими проталкивание жидкостью внутритрубного прибора. Причем манжеты устанавливаются на изоляторы таким образом, чтобы обеспечить герметичность между секциями, соответствующими каждому из электродов.
Фиг. 7. Распределение токовых линий измерительной установки внутритрубного прибора в исследуемом трубопроводе при измерениях, с измерительными электродами «A01÷A0N».
Здесь наглядно отображается направление токов в каждой секции измерительной установки.
Особое внимание - токам измерительных электродов «A01÷A0N».
Фиг. 8. Временная диаграмма измерений. В автономной аппаратуре, питающейся от батарей, обычно не подают напряжение на электроды постоянно, так как возможны достаточно большие токи в измерительной цепи.
Постоянное напряжение включают кратковременно, но при этом нужно соблюдать определенные правила, которые отражены на данной временной диаграмме:
1 - переходный процесс при подаче напряжения;
2 - временной интервал для успокоения всевозможных флуктуаций;
3 - временной интервал для проведения измерений;
4 - переходный процесс при отключении напряжения.
В реальности эти временные интервалы относительно короткие, но поскольку обычно такие измерения проводят на частотах в десятки и даже сотни килогерц, подобные нюансы уже необходимо просчитывать.
Фиг. 9. Конструкция измерительной установки внутритрубного прибора, с измерительными катушками индуктивности «К1÷КN».
8 - электрод «В1»;
9 - экранный электрод «Аэ1»;
11 - эластичные элементы, обеспечивающие максимальное приближение измерительных катушек индуктивности «К0÷КN» к внутренней стенке обследуемого трубопровода, при этом не ограничивая прохождение сужений трубопровода, отводов, муфт Целера и прочих конструктивных элементов;
12 - экранный электрод «Аэ2»;
13 - электрод «В2»;
14 - изолирующие манжеты;
15 - изоляторы на корпусе внутритрубного прибора;
16 - измерительный электрод «А0»;
17 - измерительные катушки индуктивности «К0÷КN».
Фиг. 10. Электрическая схема измерительной установки внутритрубного прибора, с измерительными катушками индуктивности «К1÷КN».
Генератор импульсов «Г» подает сигнал на экранные электроды «Аэ1» и «Аэ2», а также на измерительные электроды «A01÷A0N». Причем на измерительные электроды сигнал подается через низкоомные резисторы «Rш1÷RшN», для измерения токов.
Все секции разделены между собой изоляторами, над каждым из которых устанавливается изолирующая манжета. Манжеты также являются центрирующими и тянущими, обеспечивающими проталкивание жидкостью внутритрубного прибора. Причем манжеты устанавливаются на изоляторы таким образом, чтобы обеспечить герметичность между секциями, соответствующими каждому из электродов.
Фиг. 11. Распределение токовых линий измерительной установки внутритрубного прибора в исследуемом трубопроводе при измерениях, с измерительными катушками индуктивности «К1÷КN».
Здесь наглядно отображается направление токов в каждой секции измерительной установки.
Особое внимание - токам измерительного электрода «А0», проходящих внутри контуров измерительных катушек «К1÷КN».
Фиг.12. Эквивалентная электрическая схема измерительной установки внутритрубного прибора в исследуемом трубопроводе, для вспомогательных измерений, в данном случае для измерения утечки между секторами измерительного электрода и секторами экранных электродов.
Осуществление изобретения
Как и все внутритрубные диагностические снаряды, работающие на длинных дистанциях (километры, десятки километров, и даже сотни километров), данный внутритрубный прибор проталкивается рабочей средой обследуемого трубопровода.
При проталкивании внутритрубного прибора рабочей средой обследуемого трубопровода, требуется определенная арматура. Весь комплекс мы расписывать не будем, ограничимся основными элементами, изображенными на Фиг. 4.: Устройство запуска и Камера приема.
Исходно внутритрубный прибор помещается в Устройство запуска, и проталкивается рабочей жидкостью внутрь исследуемого трубопровода.
Скорость движения по трубопроводу определяется производительностью насоса, и строго оговаривается в ТЗ на обследование трубопровода.
В процессе движения отслеживают реальное положение внутритрубного прибора, размещая в специальных «маркерных пунктах» приемники сигналов, которые излучает передатчик внутритрубного прибора.
Прошедший всю дистанцию внутритрубный прибор поступает в камеру приема, о чем свидетельствует специальный «флажок».
Прибор извлекается из камеры приема, отмывается. Из него извлекаются записанные данные (на карте памяти, или через интерфейсный кабель), и прибор консервируется до следующего цикла работ.
Требования к рабочей среде исследуемого трубопровода, однозначно вытекающие из способа измерений:
1. Жидкость должна быть хорошо проводящей, и не содержать вязких изолирующих фракций (мазут).
2. Желательно минимальное количество газа. Образующаяся в верхнем секторе рабочего участка (Объем вокруг измерительного электрода) воздушная пробка исключает соответствующий сектор из обследуемой зоны, так как электрический ток в этом секторе отсутствует.
Привязка измеренных данных к дистанции по исследуемому трубопроводу может производиться различными способами, например:
• с использованием одометрических колес, и записи их показаний в память внутритрубного прибора;
• строгое измерение объема прокачиваемой жидкости, с записью данных в память измерительной системы на пункте управления прокачкой. После извлечения внутритрубного прибора, его данные синхронизируются с данными по прокачке.
• С помощью системы радиомаяков и маркерных пунктов;
• И т.д.
Привязка данных, полученных в результате измерений, к соответствующим секторам поперечного сечения обследуемого трубопровода, производится по результатам измерений двухосевого акселерометра.