СИСТЕМА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ТРУБОПРОВОДА

Полезная модель относится к неразрушающему контролю и может быть использована при диагностике трубопроводов.
11
22
12
21
Прототипом полезной модели является система ультразвуковой дефектоскопии трубопровода, содержащая два двунаправленных электромагнитно-акустических преобразователя, два генератора импульсов возбуждения, синхронизатор, два усилителя, два аналого-цифровых преобразователя, вычислитель, блок памяти и дисплей, система установлена на платформе, выполненной с возможностью перемещения вдоль трубопровода, оба электромагнитно-акустических преобразователя размещены симметрично по обе стороны от образующей трубопровода в зоне от 3-х до 9-ти часов, которая служит для отсчета координат дефектов по окружности трубопровода, вход каждого электромагнитно-акустического преобразователя соединен, через соответствующий генератор импульсов возбуждения, с соответствующим выходом синхронизатора, а выход каждого электромагнитно-акустического преобразователя, через цепь соответствующих последовательно соединенных усилителя и аналого-цифровых преобразователя, подсоединен к соответствующему входу вычислителя, выход которого подключен к дисплею, вычислитель, соединенный также с синхронизатором и блоком памяти, определяет распределение дефектов для каждой окружности трубопровода путем совместной обработки четырех сигналов, регистрируемых в интервале времени, превышающем время распространения сигнала вокруг трубопровода, путем весового суммирования или перемножения их мгновенных значений в совпадающие моменты времени с последующим вычислением модуля суммы или квадратного корня от произведения, при этом, сигнал S(t), полученный при возбуждении и приеме ультразвуковых колебаний от одного электромагнитно-акустического преобразователя, и сигнал S(t), полученный при возбуждении и приеме ультразвуковых колебаний от другого электромагнитно-акустического преобразователя, суммируют или перемножают с двумя другими сигналами S(t) и S(t), полученными при возбуждении ультразвуковых колебаний одним электромагнитно-акустическим преобразователем, а приеме - другим электромагнитно-акустическим преобразователем, сначала с временными сдвигами на интервалы Δt и -Δt, равными интервалу времени распространения ультразвуковых колебаний в стенках трубопровода от центра одного электромагнитно-акустического преобразователя к центру другого, а затем - с временными сдвигами -Δt и Δt:
,
,
,
,
∑R
ПR
где: S, S - результирующие сигналы при суммировании или перемножении мгновенных значений для отображения на дисплее визуализируемых дефектов правой половины трубопровода относительно его образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов.
∑L
ПL
S, S - результирующие сигналы при суммировании или перемножении мгновенных значений для отображения на дисплее визуализируемых дефектов левой половины трубопровода относительно его образующей, находящейся в зоне от 3-х до 9-ти часов.
Эта система известна из патента РФ на полезную модель №102810, G01N 29/04, 2011 г.
Недостатком системы является значительная ее сложность и, как следствие, высокая стоимость, а также большие габаритные размеры и вес, что затрудняет ее эксплуатацию, которая обычно проводится в полевых условиях. Эта система обеспечивает обнаружение дефектов в любом месте стенки трубы и визуализацию их на экране в виде карты с отображением дефектов, адекватным реальному их расположению относительно образующей трубы, по которой происходит перемещение платформы. Однако, во многих практических случаях контроля трубопроводов, в частности, магистральных газопроводов, не требуется точного указания места дефекта на окружности трубы, а достаточно только определения дефектного сечения, т.е. важен сам факт обнаружения дефекта. В этом случае обычно обязательно проводят вторичный контроль с детальным определением точных координат и размеров дефекта с помощью другой дефектоскопической аппаратуры. И только тогда принимают решение о возможности и допустимости ремонта или вырезки отрезка трубы (катушки) с дефектным сечением и, последующей вставки доброкачественного отрезка на его место.
В связи с этим, технической задачей, решаемой полезной моделью, является обеспечение системой ультразвуковой дефектоскопии упрощенного «картографирования» трубопровода с визуализацией дефектов без различения правой и левой сторон трубы относительно образующей, по которой происходит движение платформы с системой, но с сохранением высокой чувствительности к обнаруживаемым дефектам.
Эта задача решена системой ультразвуковой дефектоскопии трубопровода, включающей в себя двунаправленный электромагнитно-акустический преобразователь для посылки рэлеевских ультразвуковых волн по окружности трубопровода, генератор импульсов возбуждения, синхронизатор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, вычислитель, блок памяти и дисплей, система установлена на платформе, выполненной с возможностью перемещения вдоль трубопровода, электромагнитно-акустический преобразователь расположен над образующей трубопровода в зоне от 3-х до 9-ти часов, которая служит для отсчета координат дефектов по окружности трубопровода, вход электромагнитно-акустического преобразователя соединен, через генератор импульсов возбуждения, с выходом синхронизатора, а выход электромагнитно-акустического преобразователя, через цепь последовательно соединенных усилителя и аналого-цифрового преобразователя, подсоединен ко входу вычислителя, выход которого подключен к дисплею, вычислитель, соединенный также с синхронизатором и блоком памяти, определяет распределение дефектов по окружности трубопровода путем обработки сигналов, регистрируемых в интервале времени, превышающем время распространения рэлеевской волны вокруг трубопровода, включающем в себя частотную фильтрацию и синхронное детектирование.
На фиг.1 приведена блок-схема системы ультразвуковой дефектоскопии в ее оптимальном положении, когда она размещена на верхней образующей трубопровода, т.е. на линии 12-ти часов; на фиг.2 - диаграмма распределения импульсов на оси времени в режиме посылки зондирующего сигнала и одновременного приема электромагнитно-акустическим преобразователем ответных сигналов из стенок трубы.
Система ультразвуковой дефектоскопии по фиг.1 содержит двунаправленный электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП) 1, генератор 2 импульсов возбуждения, синхронизатор 3, усилитель 4, аналого-цифровой преобразователь 5, вычислитель 6, блок памяти 7 и дисплей 8.
Вход ЭМАП 1, соединен, через генератор 2 импульсов возбуждения, с выходом синхронизатора 3. Выход ЭМАП 1, через цепь последовательно соединенных усилителя 4 и аналого-цифрового преобразователя 5, подключен ко входу вычислителя 6, выход которого подключен к дисплею 8. Вычислитель 6 также соединен с синхронизатором 3 и блоком памяти 7.
Трубопровод, например, на фиг.1 - труба 9, имеет дефект 10. Стрелками 11 показаны направления распространения ультразвуковых (у.з.) колебаний при работе ЭМАП 1.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
«Картографирование», или визуализация, отраженная на дисплее 8, получается благодаря тому, что у.з. сигналы, посылаемые ЭМАП 1, обходят всю трубу 9 по окружности, а платформа с размещенными на ней блоками системы движется вдоль образующей трубы 9. Карта, или картина развертки трубы, собирается из множества сигналов прозвучивания по окружностям трубы 9, обрабатываемых в канале приема и поступающих в вычислитель 6 с блока памяти 7.
Платформа с установленным на ней ЭМАП 1 находится в зоне от 3-х до 9-ти часов, в частности, как показано на фиг.1 - на линии 12-ти часов, и перемещается вдоль образующей трубы 9. С выхода синхронизатора 3 подается пусковой сигнал на генератор 2 импульсов возбуждения, который генерирует импульс, возбуждающий ЭМАП 1. В момент возбуждения ЭМАП 1 излучает зондирующий импульс рэлеевских волн, который распространяется по стенкам трубы 9 в обе стороны в направлении ее окружности - по часовой стрелке и против (как показано на фиг.1 стрелками 11). При этом, начиная с момента возбуждения, ЭМАП 1 принимает сигналы из стенок трубы, которые далее усиливаются в усилителе 4 и преобразовываются в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 5.
Синхронизатор 3 запускает генератор 2 периодически, с периодом, превышающим время обегания импульса рэлеевской волны одного оборота вокруг трубы 9 с дополнительной паузой, необходимой для затухания у.з. колебаний в трубе 9 до момента следующей посылки зондирующего сигнала в трубу 9.
На фиг.2 вышеописанная работа ЭМАП 1 проиллюстрирована диаграммой развертки сигналов, которые принимает ЭМАП 1 после излучения им зондирующего импульса.
На диаграмме фиг.2 приняты следующие обозначения импульсов:
12 - зондирующий импульс;
13 - эхо-импульс от дефекта 10, прошедший по траектории от ЭМАП 1 к дефекту 10 по часовой стрелке и вернувшийся снова к ЭМАП 1 против часовой стрелки;
14 - импульс, являющийся суммой двух одновременно посланных в трубу 9 зондирующих импульсов от ЭМАП 1, обошедших полный оборот вокруг трубы 9 навстречу друг другу.
Принятые сигналы после преобразования в аналого-цифровом преобразователе 5 фиксируются в блоке памяти 7, а вычислитель 6 производит фильтровую обработку их с синхронным или обычным амплитудным детектированием.
Цветояркостную картину распределения дефектов стенок трубы 9 формирует вычислитель 6 в памяти 7 с одновременным выводом на дисплей 8. Для ее построения производится последовательное пририсовывание друг к другу на дисплее 8 системы продетектированных сигналов в виде линий с цветояркостным кодированием амплитуды сигналов синхронно с движением платформы системы по трубе 9. Картина распределения дефектов при этом является двумерной. Одна из ее осей координат совпадает с направлением движения платформы вдоль направляющей трубы, а другая ось направлена вдоль окружности трубы. Поэтому первая ось позволяет определять расстояние до дефекта от начального положения платформы с системой, а вторая ось определяет расположение дефекта относительно образующей трубы, по которой происходит движение платформы. Поскольку используется эхо-импульсный метод, то по известной скорости распространения рэлеевской волны в стенке трубы 9 производится градуировка второй оси координат картины дефектов, а по времени задержки эхо-сигнала от дефекта в вычислителе 6 рассчитывается удаление дефекта от ЭМАП 1.
В блоке памяти 7, кроме записи и хранения принимаемых эхо-сигналов, хранения промежуточных данных и окончательной цветояркостной картины развертки трубы 9, находятся также данные, обеспечивающие выдачу управляющих сигналов, синхронизирующих работу системы с помощью синхронизатора 3.
Таким образом, при движении платформы вдоль трубы 9 система на дисплее 8 рисует как бы томограмму расположения дефектов в стенках. Причем, система, вследствие использования рэлеевских ультразвуковых волн, наиболее чувствительна к продольным приповерхностным трещинам стенок трубопровода, возникающим под действием коррозии и механического напряжения. Такие трещины встречаются чаще других и они наиболее опасны.
На полученной картине образы (отметки) дефектов адекватны реальным местам их расположения, но отсутствует только информация, с какой стороны от линии движения платформы они располагаются. То есть, при расположении дефекта как справа, так и слева от нее, образ на дисплее появляется в любом случае в одном и том же месте. Его координата по второй оси адекватна реальному расстоянию от линии движения платформы до дефекта вдоль окружности трубы.
Движение платформы по трубопроводу и ультразвуковое зондирование ничем не осложнены, в отличие от систем, применяющих пьезопреобразователи, требующие использования контактной жидкости.