БЕСКОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ПРОДОЛЬНОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ ДЛЯ ВНУТРИТРУБНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ТРУБОПРОВОДОВ
NON-CONTACT LONGITUDINAL MAGNETIZING DEVICE FOR IN-PIPE DEFECTOSCOPY OF PIPELINES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно, к обнаружению локальных дефектов путем исследования магнитных полей рассеяния, и может быть использовано для внутритрубного контроля трубопроводов малого диаметра, в том числе нефте- и газопроводов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны устройства для внутритрубной дефектоскопии трубопроводов, включающие систему магнитов, а также щетки, выполненные из стальной проволоки, которые контактируют с внутренней поверхностью контролируемой трубы и передают в контролируемую трубу магнитный поток (RU 2293314 С1, RU 2303779 С1, RU 2334980 С1).
Недостатки указанных известных магнитных систем состоят в следующем.
Наличие контактирующих со стенками трубопровода щеток снижает проходимость дефектоскопов, содержащих такое устройство. Кроме того, движение дефектоскопа при наличии щеток, контактирующих с внутренней поверхностью трубопровода, сопровождается сильным трением, что приводит к повреждению покрытия внутренней поверхности трубопровода. Указанное высокое трение не позволяет также осуществлять дефектоскопию при низких перепадах давления, если поток продукта слишком мал или вообще отсутствует, например, при приёмке вновь вводимых в строй трубопроводов, когда неразрушающий контроль проводится в потоке перекачиваемого внешними компрессорами воздуха или азота; диагностике подводных переходов; обследовании шлейфов компрессорных станций и т. п. В особенности перечисленные недостатки проявляются в случаях дефектоскопии трубопроводов малого диаметра.
Указанные недостатки устраняются бесконтактными устройствами продольного намагничивания для внутритрубной дефектоскопии трубопроводов малого диаметра.
Так, известно бесконтактное устройство продольного намагничивания для внутритрубной дефектоскопии трубопроводов малого диаметра, включающее систему магнитов (RU 2663323 С1). Указанное устройство содержит по крайней мере две несимметричные сегментные магнитные системы, установленные последовательно с угловым смещением относительно продольной оси дефектоскопа и состоящие из разделенного на секторы различного размера магнитопровода, на части секторов которого закреплены сплошные стальные пластины-башмаки для передачи магнитного потока в исследуемую область трубопровода.
Использование стальных пластин-башмаков предполагает минимизацию зазора между магнитной системой и внутренней поверхностью обследуемого трубопровода. Кроме того, указанное устройство разделено на две несимметричные части для обеспечения минимизации зазора между стальными пластинами-башмаков и внутренней поверхностью обследуемого трубопровода. В результате чего, сечение указанного устройства составляет 85% от наружного диаметра трубопровода, что указывает на низкую проходимость в трубопроводах малого диаметра.
Также известно бесконтактное устройство продольного намагничивания для внутритрубной дефектоскопии трубопроводов малого диаметра (RU 154134 U1). Указанное известное устройство включает два пояса магнитов, между которыми расположено кольцо с магнитными датчиками, каждый пояс магнитов состоит из основных магнитов, переходных магнитов и дополнительных магнитов.
Указанное известное бесконтактное устройство не содержит щеток, однако оно включает два пояса магнитов, имеющих сложную пространственную конфигурацию, и его габариты не позволяют обеспечить высокую проходимость внутритрубного дефектоскопа при обследовании трубопроводов малого диаметра.
Известно устройство для магнитной дефектоскопии стальных трубопроводов со стороны внутренней поверхности (RU 2634366 С2), выбранное в качестве прототипа. Указанное устройство содержит основную двухполюсную систему намагничивания и две дополнительные двухполюсные системы намагничивания. Каждая система представляет собой два радиально намагниченных в противоположных направлениях кольцевых постоянных магнита, соединенных между собой цилиндрическим магнитопроводом.
у
Указанное устройство может быть использовано в трубопроводах малого внутреннего диаметра и/или в трубопроводах с толстой стенкой. Указанное использование возможно за счет увеличения магнитной индукции на контролируемом участке трубопровода. Положительный результат достигается путем дополнительного намагничивания участков трубопровода, соседних с контролируемым участком, с помощью дополнительных систем намагничивания, т.е. для достижения величины, обеспечивающей техническое насыщение металла необходимо три системы намагничивания, а именно основная и две дополнительных. Таким образом, одна система намагничивания указанного устройства имеет приемлемую проходимость, но не способна обеспечить достаточный уровень намагничивания материала трубы. При этом, поскольку указанное устройство имеет несколько систем намагничивания, то оно имеет достаточно большю длину, что не может обеспечить высокий уровень проходимости при поворотах или изгибах трубопровода.
Таким образом, известные решения, а именно приборы с щетками и бесщёточные приборы больших диаметров, основанные на использовании башмаков, удовлетворяют требованиям по уровню намагничивания материала и чувствительности и имеют стандартную проходимость. Бесщеточные и безбашмаковые магнитные приборы имеют хорошую проходимость, часто требуемую для обследования трубопроводов малых диаметров, но не обеспечивают отвечающие стандартам уровень намагниченности материала трубы и чувствительность к наружным дефектам потери металла.
Ввиду имеющихся недостатков известных устройств для внутритрубной дефектоскопии, задачей настоящего изобретения является создание бесконтактного устройства продольного намагничивания для внутритрубной дефектоскопии, которое бы обладало характеристиками, позволяющими обеспечить высокую проходимость в трубопроводах малого диаметра с одновременным обеспечением уровня намагничивания материала трубы и чувствительности к наружным дефектам потери материала, достаточными для качественного обследования трубопроводов малых диаметров.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанная техническая проблема решена благодаря бесконтактному устройству продольного намагничивания для внутритрубной дефектоскопии трубопроводов, которое содержит магнитопровод, имеющий средний участок, выполненный в форме цилиндра, и концевые участки, выполненные в форме усеченных конусов, при этом площадь сечения магнитопровода уменьшается от среднего участка к меньшим основаниям усеченных конусов. Устройство содержит магниты, расположенные так, что они окружают концевые участки магнитопровода, причем внутренняя поверхность магнитов соответствует форме концевых участков магнитопровода. Магниты имеют векторы магнитной индукции, направленные под углом к продольной оси устройства.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, состоит в создании бесконтактного устройства продольного намагничивания, не контактирующего с внутренней стенкой трубопровода, имеющего повышенную проходимость в трубопроводах малого диаметра с одновременным обеспечением уровня намагничивания материала трубопровода, достаточного для качественного обследования его внутренней и наружной поверхности.
Одним из важных параметров любого внутритрубного инспекционного прибора является минимальное проходимое сечение трубопровода, т.е. сужение его прямолинейного участка, которое может преодолеть прибор при обследовании трубопровода. Проходимость магнитного внутритрубного инспекционного прибора в значительной степени определяется размерами его системы намагничивания, поскольку именно она задаёт нижний предел сечения внутритрубного инспекционного прибора.
При этом, при уменьшении габаритов системы намагничивания увеличивается зазор между магнитами и внутренней поверхностью трубопровода, в результате чего необходимо, чтобы система обладала характеристиками, позволяющими обеспечить достаточный уровень намагниченности материала трубопровода при наличии нестандартного широкого зазора. В некоторых решениях, например, как в прототипе, в устройство добавляют несколько систем намагничивания для увеличения магнитной индукции, что удлиняет конструкцию всего устройства и, тем самым, снижает проходимость.
В предлагаемом бесконтактном устройстве для обеспечения требуемого уровня намагничивания стоит задача передать как можно больший суммарный поток индукции из магнитов в магнитопровод. Поток - это произведение индукции на площадь магнитопровода, таким образом возникает необходимость сделать как можно большей площадь соприкосновения магнитов и магнитопровода. Для обеспечения максимального уровня индукции и однородности магнитного поля в зоне контроля также необходимо обеспечить направления намагничивания магнитов под углом к продольной оси устройства.
Для достижения указанных задач магнитопровод предлагаемого бесконтактного устройства выполнен в виде цилиндра, ограниченный усечёнными конусами, при этом площадь сечения магнитопровода уменьшается от цилиндра к меньшим основаниям усеченных конусов. При этом магниты окружают конические участки магнитопровода, повторяя его форму. Таким образом, увеличивается площадь соприкосновения магнитов и магнитопровода.
В результате чего, магниты образуют оболочку вокруг концевых участков магнитопровода, что обеспечивает максимальный уровень намагниченности магнитопровода и, как следствие, требуемый уровень намагничивания материала трубопровода.
Кроме того, магниты имеют вектора магнитной индукции, направленные под углом к продольной оси устройства. Указанные направления намагничивания обеспечивают максимальный уровень индукции и однородности магнитного поля в зоне контроля.
Таким образом, благодаря предлагаемой форме и расположению магнитопровода и магнитов и указанным направлениям намагничиваний обеспечивается достижение максимальной остаточной индукции магнитов и магнитопровода, что позволяет уменьшить габариты бесконтактного устройства в поперечном сечении, что приводит к повышению проходимости бесконтактного устройства в трубопроводах малого диаметра и позволяет отнести созданный на его основе дефектоскоп к классу внутритрубного оборудования с высокой проходимостью в трубопроводах малого диаметра.
В результате предлагаемая система магнитов бесконтактного устройства продольного намагничивания для внутритрубной дефектоскопии трубопроводов имеет высокую проходимость в трубопроводах малого диаметра и высокую чувствительность как к внутренним, так и к наружным дефектам потери материала.
Согласно одному из вариантов реализации магнитопровод может быть выполнен из ферромагнетика с индукцией насыщения не менее 1,6 Тл.
Согласно еще одному из вариантов реализации магниты могут быть выполнены сборными из секторов, каждый из которых имеет вектор магнитной индукции, направленный под углом к продольной оси устройства.
Вышеуказанные варианты реализации, раскрывающие общие характеристики и параметры материалов (ГОСТ 19693-74. Магнитные материалы. Термины и определения) магнитопровода и магнитов, способствуют достижению максимальной намагниченности магнитопровода и снижению габаритов устройства в поперечном сечении, что приводит к повышению проходимости бесконтактного устройства в трубопроводах малого диаметра и позволяет отнести созданный на его основе дефектоскоп к классу внутритрубного оборудования с высокой проходимостью.
Согласно одному из вариантов реализации на среднем участке магнитопровода между магнитами установлен по меньшей мере один немагнитный элемент, обеспечивающий достаточную величину зоны однородности поля в продольном направлении и малую величину градиента в зоне контроля в осевом направлении.
Согласно еще одному из вариантов реализации магниты образуют наружную поверхность, поперечное сечение которой имеет форму круга или правильного многоугольника, что обеспечивает равномерность рассеивания магнитного поля в материал трубопровода.
Согласно еще одному из вариантов реализации магнитопровод содержит дополнительные цилиндрические участки, являющиеся продолжением меньших оснований усеченных конусов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого бесконтактного устройства продольного намагничивания для внутритрубной дефектоскопии трубопроводов малого диаметра согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение предлагаемого бесконтактного устройства продольного намагничивания для внутритрубной дефектоскопии трубопроводов малого диаметра согласно другому варианту реализации настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Бесконтактное устройство продольного намагничивания для внутритрубной дефектоскопии трубопроводов малого диаметра (далее называемое в настоящем описании как устройство или прибор), согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, показано на фиг. 1. Устройство содержит фланцы 1 и 2 из ферромагнитного материала с высокой индукцией насыщения, которые могут быть выполнены из Стали 10. Устройство также содержит сборные магниты 3 и 4, которые могут быть выполнены из сплава неодим-железо-бор. Устройство содержит магнитопровод 5, который может быть выполнен из ферромагнитного материала с высокой индукцией насыщения, например из Стали 20 или пермендюра. В состав устройства также входят блоки датчиков 6 Холла, размещённые в зоне контроля поля рассеяния и подвеску 7 датчика 6, которая может быть выполнена из полиуретана.
В классическом приборе для трубопроводов среднего или большого диаметра магнитопровод это труба с достаточно большой толщиной стенки. Поскольку магнитопровод в приборах малого диаметра существенно меньше по поперечному сечению, чем обследуемая труба, он для увеличения сечения преобразуется из трубы в сплошной стальной цилиндр с небольшим технологическим отверстием в центре. Кроме того, форма магнитопровода должна обеспечивать передачу как можно большего суммарного потока индукции из магнитов в магнитопровод, т.е. форма магнитопровода должна обеспечивать как можно большую площадь соприкосновения с магнитами. При этом, для получения максимального уровня индукции и однородности магнитного поля в зоне контроля необходимо, чтобы создаваемое магнитами поле по направлению было как можно ближе к перпендикуляру к поверхности соприкосновения магнитопровод-магнит.
Таким образом, для решения указанных выше задач сплошной стальной магнитопровод 5 с небольшим технологическим отверстием в центре имеет средний участок, выполненный в форме цилиндра, и концевые участки, выполненные в форме усеченных конусов, при этом площадь сечения магнитопровода 5 уменьшается от среднего участка к меньшим основаниям усеченных конусов. Таким образом, магнитопровод 5 является вытянутым телом вращения с выпуклой средней частью. Такая форма магнитопровода 5 способствует обеспечению высокого уровня намагниченности трубопровода в зоне контроля и однородности магнитного поля в зоне контроля. Стоит отметить, что использование в магнитопроводе 5 цилиндрических частей вместо усеченных конусов однозначно приведет к снижению намагниченности трубопровода в зоне контроля.
Концевые участки магнитопровода 5 также могут содержать дополнительные цилиндрические участки, являющиеся продолжением меньших оснований усеченных конусов (фиг. 2). Указанные дополнительные цилиндрические участки используются в зависимости от величины магнитной системы прибора. Эффективность дополнительных цилиндрических участков снижается с увеличением диаметра магнитной системы прибора. Например, в магнитной системе прибора на 12 дюймов, дополнительные цилиндрические участки не нужны, а в приборе на 10 дюймов благодаря наличию цилиндрических участков обеспечивается увеличение индукции магнитного поля в зоне контроля на 5%, по сравнению с магнитопроводом без таких участков.
Каждый из магнитов 3 и 4 выполнен сборным из 12 секторов, скрепленных обечайкой. Технологически каждый сектор может быть склеен из нескольких предварительно намагниченных частей. Магниты 3 и 4 расположены так, что они окружают концевые участки магнитопровода 5. Внутренняя поверхность магнитов 3 и 4 соответствует форме концевых участков магнитопровода 5 Кроме того, в предпочтительном варианте реализации магниты 3 и 4 закрывают магнитопровод 5 со стороны его торцов. В результате, магниты 3 и 4 образуют оболочку вокруг магнитопровода 5, что гарантирует максимальный уровень намагниченности материала магнитопровода 5. Таким образом, магнитопровод 5 эффективно становится магнитом с большой остаточной индукцией (около 2,1 Тл для Стали 20). Кроме того, большая индукция насыщения с учетом свойств материала магнитопровода превышает теоретически достижимую максимальную остаточную индукцию магнитов 3, 4, выполненных из сплава неодим-железо-бор.
Вместе с тем, форма концевых участков магнитопровода 5 и указанное расположение и форма магнитов 3 и 4 обеспечивают максимальную поверхность их соприкосновения, что обеспечивает передачу большего суммарного потока индукции из магнитов 3 и 4 в магнитопровод 5. При этом, на среднем участке магнитопровода 5 между магнитами 3 и 4 могут быть установлены два немагнитных элемента (не показаны). Немагнитные элементы могут обеспечить разрыв, достаточный для образования зоны однородности поля в продольном направлении и малую величину градиента в зоне контроля в осевом направлении.
Каждый из секторов магнитов 3 и 4 имеет вектор магнитной индукции, направленный под углом к продольной оси устройства. Для получения необходимых направлений векторов намагниченности магнитов 3, 4 в первую очередь задается указанное необходимое направление остаточной намагниченности, а затем по результатам численного моделирования оптимизируются размеры магнитов для достижения наибольшего поля в зоне контроля. При этом, для обеспечения оптимального результата при получении необходимых векторов намагниченности выстраивают форму магнитов и их расположение. Таким образом, форма концевых участков магнитопровода 5 в виде усеченных конусов и форма магнитов 3, 4 способствуют получению векторов магнитной индукции основных магнитов 3 и 4, направленных под углом к оси устройства (магнитопровода 5), что обеспечивает максимальный уровень индукции и однородности магнитного поля в зоне контроля. Стоит отметить, что изменение формы магнитов 3, 4 либо изменение направлений намагничивания на параллельное или перпендикулярное продольной оси прибора приведет либо к ослаблению поля в зоне контроля, либо к недопустимым градиентам напряженности в продольном и/или радиальном направлении в зоне контроля.
Также стоит отметить, что магниты 3 и 4, собранные из секторов и образующие цилиндрическую наружную поверхность, обеспечивают достаточно большой суммарный объем, чтобы «сгенерировать» необходимую напряженность поля в материале магнитопровода 5 и материале обследуемого трубопровода. Кроме того, цилиндрическая наружная поверхность магнитов 3 и 4 и их указанное расположение обеспечивают достаточно большую поверхность рассеивания магнитного поля в транспортируемую среду для его дальнейшей передачи в материал трубопровода.
Для выполнения магнитопровода 5 предпочтителен материал из ферромагнетика с индукцией насыщения не менее 1,6 Тл, например Сталь 20 или пермендюр (как указывалось ранее). Выбор параметров индукции насыщения материала магнитопровода 5 зависит от требований к проходимости и толщинам стенок обследуемых трубопроводов. Стоит учитывать, что магнитопровод 5, материал которого будет иметь индукцию насыщения менее чем 1,6 Тл, может обеспечивать недостаточную индукцию для качественного обследования наружной поверхности трубопровода. Аналогично выполняется выбор материала для магнитов 3 и 4. Для указанных магнитов предпочтителен, например, материал неодим-железо-бор.
Проходимость магнитного внутритрубного инспекционного прибора в значительной степени определяется размерами его магнитной системы, поскольку она задаёт нижний предел сечения внутритрубного инспекционного прибора. Благодаря предлагаемой форме и расположению магнитопровода 5 и магнитов 3, 4 и указанным направлениям намагничиваний, обеспечивается достижение максимальной индукции магнитопровода 5, достаточной для поддержания уровня намагниченности материала трубопровода даже при наличии нестандартного широкого зазора, что позволяет уменьшить наружный диаметр устройства.
Таким образом, предлагаемое бесконтактное магнитное устройство имеет высокую проходимость в трубопроводах малого диаметра с одновременным обеспечением уровня намагничивания материала трубопровода, достаточного для качественного обследования его внутренней и наружной поверхности.
Например, предлагаемое бесконтактное магнитное устройство с максимальным сечением 218 мм по диаметру магнитов 3 и 4 (фиг. 1) способно создать индукцию 1,7 Тл в стенке трубопровода толщиной 23 мм и диаметром 273,1 мм.
Важно отметить, что конкретные размеры магнитопровода и магнитов и материалы, используемые для их изготовления, выбираются и зависят от требований к проходимости и толщинам стенок обследуемых трубопроводов.
Магнитный контур предлагаемого устройства проходит следующим образом. Вне зависимости от того, проходит ли силовая линия через магниты 3, 4, она последовательно пересекает первый магнит 4 - магнитопровод 5 - второй магнит 3 - транспортируемую среду (не показано) - обследуемый трубопровод (не показан) - транспортируемую среду - возвращается в первый магнит 4
Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми в описании в иллюстративных целях, и охватывает все возможные модификации и альтернативы, входящие в объем настоящего изобретения, определенный формулой изобретения.