УСТРОЙСТВО РАЗМАГНИЧИВАНИЯ ТРУБ И ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам автоматического импульсного размагничивания трубопроводов и предназначена, в частности, для устранения остаточной намагниченности труб нефте и газопроводов при строительных и аварийно-восстановительных работах с целью исключения эффекта «магнитного дутья» при электродуговой сварке стыков труб и обеспечения высокого качества сварных соединений.
Принцип размагничивания импульсами тока торцов или стыков труб заключается в создании внешнего размагничивающего магнитного поля, у которого направление магнитного потока противоположно имеющемуся.
Для этого в устройствах размагничивания имеется источник питания, вырабатывающий импульсы тока переключаемой полярности. Управление режимом размагничивания осуществляется блоком управления. Сформированные импульсы тока положительной и отрицательной полярности подаются на размагничивающую катушку (соленоид), который наматывается на одну трубу у ее торца или две трубы в зоне их стыка.
Известны способ и устройство импульсного размагничивания крупногабаритных изделий (см. патент РФ на изобретение №2157014, М.кл. H 01 F 13/00, опубл. 27.09.2000г). В этом изобретении размагничивание ферромагнитных изделий осуществляется воздействием на них переменным магнитным полем с амплитудой, уменьшающейся от некоторого максимального значения до нуля, и частотой, зависящей от магнитной проницаемости и толщины изделия. При этом на основное низкочастотное магнитное поле накладывается переменное магнитное поле, частота которого совпадает с собственной частотой механического резонанса данного изделия. Таким образом достигается увеличение вклада высших гармоник в общее магнитное поле в материале изделия. Это позволяет сформировать необходимое состояние изделия при меньших токах в обрабатывающей обмотке. Воздействие магнитного поля с частотой механического резонанса позволяет увеличить крутизну нарастающего и спадающего фронтов импульса. Воздействие создают подключением обрабатывающей обмотки к аккумуляторной батарее.
Однако применение этого устройства при ремонтно-восстановительных работах трубопроводов в полевых условиях вызывает значительные трудности, поскольку для его эффективного использования необходимо либо заранее провести математическое определение частоты его механического резонанса, что практически невозможно вследствие неизвестности параметров размагничиваемой трубы, либо выполнить опытные работы для экспериментального измерения этой частоты, что значительно усложняет и удлиняет процесс ремонтно-восстановительных работ.
Известны устройства импульсного размагничивания, в которых воздействие осуществляется одиночными импульсами изменяемой полярности.
Одно из таких устройств РУ 1420 (размагничивающее устройство) выпускается Ассоциацией «Харьковнефтемаш» (см.Руководство по эксплуатации ТУУ 31.2-30140615-001-2001) и предназначено для размагничивания труб перед сваркой для предотвращения эффекта «магнитного дутья». Оно содержит щит управления с выносным пультом управления, питаемый от источника постоянного тока, представляющего собой сварочный выпрямитель; соленоид, состоящий из N секций многожильных кабелей, наматываемых на трубу в районе стыка и соединяемых между собой и с выходом щита управления.
Принцип размагничивания заключается в первоначальном намагничивании трубы в зоне расположения секций соленоида до уровня, близкого к насыщению, и последующем воздействии на трубу магнитного поля обратного направления строго определенной величины, при снятии которого труба оказывается в размагниченном состоянии.
Использование в устройстве в качестве первичного источника мощности сварочного выпрямителя, управление выходными параметрами которого путем внешнего воздействия в цепи его нагрузки оказывается малоэффективным и неточным, приводит к нестабильности результатов процесса размагничивания. Поэтому после окончания процесса автоматического размагничивания уровень поля в ремонтной зоне может оказаться значительно больше 20 Гс, в результате этого требуется дополнительное ручное компенсационное размагничивание, увеличивающее время размагничивания. Результаты такой процедуры размагничивания в значительной степени зависят от квалификации оператора. Значение поля в 20 Гс. обеспечивающее проведение качественной сварки, определено «Рекомендациями по размагничиванию труб при ремонтных работах на газопроводах диаметром до 1420мм», утвержденными РАО Газпром 14.02.1998г.
Другое устройство размагничивания трубопроводов АУРА-7001, выпускаемое ОДО «Греленс» (см.конструкторскую документацию №8292.1339.30 с паспортом и руководством по эксплуатации на аппарат универсальный размагничивающий автоматический АУРА-7001 «Метель», а также на сайге сети ИНТЕРНЕТ httD://www/demagnetic. narod. ru/) содержит источник одиночных импульсов тока с коммутатором их полярности, блок управления, содержащий микропроцессорную схему управления, устройство вычисления параметров размагничивающего импульса тока и формирователь намагничивающих и размагничивающих импульсов для управления источником одиночных импульсов, а также соленоид. Размагничивание производится серией размагничивающих импульсов с вычислением параметров каждого последующего по результатам воздействия предыдущего.
С помощью этого устройства размагничивание осуществляется до установки ремонтной катушки на открытых концах труб. Однако после стыковки труб магнитное поле в зоне сварки может оказаться больше, чем это требуется для проведения безвыплесковой сварки. Поэтому, как правило, требуется после проведения импульсного метода размагничивания на открытых торцах труб осуществить компенсацию остаточной намагниченности в зоне стыка, что усложняет процесс размагничивания и увеличивает его длительность.
Общим в двух последних устройствах является использование предварительного намагничивания металла трубы до состояния близкого к
насыщению и последующее размагничивание, осуществляемое одним или серией импульсов обратной полярности. При этом амплитуда и длительность размагничивающего импульса (импульсов) должны быть точно рассчитаны с учетом величины остаточной намагниченности и параметров магнитной системы труба-соленоид. Если первая величина может быть измерена достаточно точно, то магнитные свойства системы труба-соленоид не могут быть определены заранее, т.к. они являются нестабильными и зависят как от параметров материала трубы, так и от геометрии соленоида, а также их взаимного расположения.
Кроме того, после проведения сборки двух предварительно размагниченных торцов труб величина поля в зазоре может значительно отличаться от величины поля на открытом торце трубы, если знаки остаточной намагниченности на торцах двух стыкуемых труб оказались противоположными, в результате чего поле в зазоре резко возрастает. Поэтому в руководствах по эксплуатации обоих устройств предлагается после проведения стыковки труб проведение дополнительного компенсационного размагничивания для достижения безвыплесковой сварки.
Известно устройство импульсного размагничивания и (или) компенсации магнитного поля стыков труб и элементов трубопроводов, реализованное в Установке «Полюс-А» 82.92.1339.030, выпускаемой Северо-Двинским машиностроительным заводом (см. Руководство по эксплуатации ЕИМА.044649.001РЭ), которая может также применяться для размагничивания деталей и конструкций, изготовленных из ферромагнитных сталей.
Устройство содержит силовой блок (электромеханический сварочный преобразователь постоянного тока массой 800кг), подключенный к сети трехфазного переменного тока 380В 50 Гц через блок автоматических выключателей, управляемый блоком управления. Блок управления содержит формирователь последовательности знакопеременных затухающих трапецеидальных импульсов, усилитель сформированной последовательности импульсов, выход которого подключен к обмотке возбуждения сварочного преобразователя. На выходе силового блока (выходе сварочного преобразователя) формируется последовательность знакопеременных затухающих по амплитуде трапецеидальных импульсов тока, подаваемых на обмотку соленоида, состоящего из четырех секций, монтируемых на размагничиваемой трубе. При этом соотношение максимального и минимального значений амплитуды импульсов тока составляет 10:1.
Режим размагничивания позволяет снизить намагниченность трубы в зоне сварки в автоматическом режиме, однако в ряде случаев этого режима оказывается недостаточно, т.к. уровни остаточных магнитных полей могут превышать необходимые нормы. Поэтому после автоматического размагничивания необходимо вручную скомпенсировать оставшуюся намагниченность.
Однако, использование силового блока с электромеханическим преобразователем (электрической машиной) значительно увеличивает вес устройства и требует больших пусковых мощностей (до 50 кВт). Кроме того данное устройство рассчитано на использование всех секций соленоида, что при размагничивании труб диаметром, меньшим максимального, приводит к увеличению остаточной намагниченности, т.к. при этом количество витков соленоида, наматываемого на трубу, увеличивается. Дополнительные сложности при работе, вызывает уровень
размагничивающего тока (500-50А), накладывающий жесткие требования к качеству соединений отдельных секций соленоида.
Все это приводит к неудобствам эксплуатации такого устройства для ремонтно-восстановительных работ в полевых условиях.
Данное устройство выбрано за прототип.
Задачей полезной модели является улучшение массогабаритных показателей устройства и уменьшение остаточной намагниченности после окончания автоматического процесса при размагничивании собранного стыка труб.
Решение указанной задачи обеспечивается в предлагаемом устройстве размагничивания труб и элементов трубопроводов, содержащем источник трехфазного напряжения, выходами связанный со входами пускового блока с автоматическим выключателем, выходами подключенного ко входу источника постоянного тока, управляющим входом связанного с первым управляющим выходом блока управления, соленоид, отличающемся тем, что источник постоянного тока содержит ключевой полупроводниковый источник питания с регулировкой уровня выходного тока, на входе которого включены последовательно соединенные выпрямитель и сглаживающий фильтр, причем входы выпрямителя являются входами источника постоянного тока, а выходы ключевого полупроводникового источника питания являются выходами источника постоянного тока, подключенными к коммутатору полярности импульсов выходного тока, управляющий вход ключевого полупроводникового источника питания через схему широтно-импульсного регулирования соединен с управляющим входом источника постоянного тока, а блок управления содержит схему формирования цикла размагничивания, связанную соответствующими выходами со входом формирователя последовательности трапецеидальных импульсов с переменной амплитудой и входом формирователя последовательности импульсов управления коммутатором полярности импульсов выходного тока, при этом выход формирователя последовательности трапецеидальных импульсов с переменной амплитудой является первым управляющим выходом блока управления, подключаемым к управляющему входу источника постоянного тока, а выход формирователя последовательности импульсов управления коммутатором полярности импульсов выходного тока, являющийся вторым управляющим выходом блока управления, подключен к управляющему входу коммутатора полярности импульсов выходного тока, выходы которого подключены к соленоиду.
Использование в предлагаемом устройстве источника постоянного тока в виде ключевого полупроводникового источника питания с регулировкой уровня выходного тока, на выходе которого включен коммутатор полярности импульсов, вместо используемого в прототипе электромеханического источника постоянного тока, представляющего собой электрическую машину, позволяет значительно снизить вес и размеры устройства, а так же увеличить соотношение максимального и минимального значений выходного тока до 200:1, т.е. снижает уровень размагничивающего поля в конце цикла автоматического размагничивания, и следовательно, уменьшает уровень намагниченности труб после проведения размагничивания.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже.
Устройство содержит источник 1 трехфазного напряжения, выходами подключенный ко входам пускового блока 2 с автоматическим выключателем, выходы пускового блока 2 с автоматическим выключателем соединены со входами источника 3 постоянного тока, управляющий вход которого соединен с первым управляющим выходом блока 4 управления, а выходы источника 3 постоянного тока подключены ко входам коммутатора 5 полярности импульсов выходного тока, выходами связанного с соленоидом 6. При этом источник 3 постоянного тока содержит выпрямитель 7, входы которого являются входами источника 3 постоянного тока, а его выходы подключены ко входам сглаживающего фильтра 8, выходы которого подсоединены ко входам ключевого полупроводникового источника 9 питания, к управляющему входу которого подключен выход схемы 10 широтно-импульсного регулирования, вход которой является управляющим входом источника 3 постоянного тока для подключения первого управляющего выхода блока 4 управления, второй управляющий выход которого подключен к управляющему входу коммутатора 5 полярности импульсов выходного тока. Блок 4 управления содержит схему 11 формирования цикла размагничивания, выходы которой подключены ко входу формирователя 12 последовательности трапецеидальных импульсов (ФПТИ) и входу формирователя 13 последовательности импульсов управления коммутатором полярности импульсов выходного тока (ФПИУК) соответственно, причем выход формирователя 12 последовательности трапецеидальных импульсов является первым управляющим выходом блока 4 управления, а выход формирователя 13 последовательности импульсов управления коммутатором полярности импульсов выходного тока является вторым управляющим выходом блока 4 управления.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства при размагничивании стыка труб подготовленных к размагничиванию. На стык труб наматывается соленоид 6 и подключается к выходам коммутатора 5 полярности импульсов выходного тока согласно схеме устройства. При включении автоматического выключателя пускового блока 2 на выпрямитель 7 источника 3 постоянного тока подается трехфазное напряжение 380В 50Гц, которое будучи выпрямленным в выпрямителе 7 и сглаженным сглаживающим фильтром 8 поступает на ключевой полупроводниковый источник 9 питания. В ключевом полупроводниковом источнике 9 питания используется широтно-импульсный принцип управления уровнем выходном мощности с контролем по уровню выходного тока. Управление ключевым полупроводниковым источником 9 питания осуществляет схема 10 широтно-импульсного регулирования, которая в соответствии с сигналом на управляющем входе источника 3 постоянного тока формирует последовательности прямоугольных импульсов с частотой 44 кГц.
В результате этого ток на выходе ключевого полупроводникового источника 9 питания, а следовательно, и всего источника 3 постоянного тока, прямо пропорционален напряжению на управляющем входе источника 3 постоянного тока. Данный ток через коммутатор 5 полярности импульсов выходного тока поступает в соленоид 6. Причем в зависимости от состояния коммутатора 5 полярности импульсов выходного тока направление тока в соленоиде может меняться на противоположенное.
Предлагаемое устройство так же как и прототип использует принцип импульсного размагничивания знакопеременной последовательностью
трапецеидальных импульсов тока с уменьшающейся амплитудой. Формирование цикла размагничивания обеспечивает схема 11 формирования цикла размагничивания, которая при включении начинает вырабатывать две последовательности импульсов. Первая последовательность импульсов, поступающая на вход ФПТИ 12 состоит из 64 пачек широтно-модулированных импульсов с частотой 3кГц, относительная длительность которых меняется от нулевой до максимальной за время, достаточное для нарастания выходного тока источника 3 постоянного тока в соленоиде 6 от нуля до максимального. После этого происходит стабилизация относительной длительности с ее последующим уменьшением до нуля и через интервал времени, достаточный для проведения переключения коммутатора 5 полярности импульсов выходного тока, процесс повторяется. Данная последовательность поступает на вход ФПТИ 12, где происходит выделение ее постоянной составляющей, представляющей собой трапецеидальные импульсы, и нормирование максимально возможной амплитуды импульсов до уровня, соответствующего 100А выходного тока источника 3 постоянного тока. Максимальная относительная длительность импульсов внутри каждой пачки импульсов на входе ФПТИ 12 изменяется через 2 пачки импульсов от максимально возможной до нулевой ступенчато на 1/32 от максимальной. В результате этого на управляющем входе источника 3 постоянного тока появляется последовательность из 32 пар трапецеидальных импульсов, максимальная амплитуда которых уменьшается каждые 2 импульса. В соответствии с этим управляющим сигналом ключевой полупроводниковый источник 9 питания вырабатывает трапецеидальные импульсы тока с максимальной амплитудой от 100 А до минимально возможной, которая определяется возможностями источника питания.
Одновременно с формированием пачек широтно-модулированных импульсов схема 11 формирования цикла размагничивания вырабатывает импульсы (импульсы переключения), по времени соответствующие моменту середины паузы между пачками широтно-модулированных импульсов. Во время данной паузы ток в соленоиде 6 равен нулю и возможно произвести переключение коммутатора 5 полярности импульсов выходного тока с минимальными переходными процессами. Эти импульсы переключения подаются на ФПИУК 13, где происходит формирование сигналов необходимой мощности и длительности, обусловленной типом применяемых реле в коммутаторе 5 полярности импульсов выходного тока.
Таким образом при работе устройства в соленоид б подаются 32 пары разнонаправленных импульсов тока с амплитудой изменяющейся от 100А до 0,5А. Последнее значение определяется типом применяемых в ключевом полупроводниковом источнике 9 питания полевых транзисторов и связано с перезарядом их выходных емкостей. Столь значительный динамический диапазон изменения уровня выходного тока (200 раз), а по мощности более 40000 раз, позволяет размагнитить стыки труб с исходной намагниченностью до 5000Гс до величины не более 20Гс. Кроме того использование схемы широтно-импульсного регулирования с контролем по уровню выходного тока для управления ключевым полупроводниковым источником 9 питания позволяет варьировать количество используемых секций соленоида 6 в пределах от 1 до10, т.к. величина выходного тока источника 3 постоянного тока практически не зависит от сопротивления нагрузки.
Поэтому при использовании предлагаемого устройства при размагничивании труб диаметром, меньшим максимального, возможно сокращение числа используемых секций, что сокращает время размагничивания и упрощает процесс установки соленоидов. Снижение уровня тока в соленоиде б по сравнению с прототипом позволяет значительно снизить требования к качеству переходных контактов и использовать для соединения секций соленоидов стандартные разъемы.
В ключевом полупроводниковом источнике питания используется схема сдвоенного однотактного мостового преобразователя (см., например, Патент РФ №2043695), в которой применяются полевые транзисторы SPW20N60C2 фирмы Siemens. В качестве выпрямителя используются мостовые выпрямители фирмы DC Components типа КВРС, а в качестве сглаживающего фильтра конденсаторы К50-59 емкостью 1500мкФ. В коммутаторе используются реле СКМ-200. Схема формирования цикла размагничивания выполнена на микропроцессоре АТ2313 (см. Datasheet http:\www.atmel.com), а схема широтно-импульсного регулирования на микроконтроллере фирмы Unitrode UC2879 (см. Datasheet htpp://www-s.ti.com). Формирователь последовательности трапециидальных импульсов выполнен на транзисторе ВС847А, работающем в ключевом режиме с регулируемым напряжением питания на микросхеме LM217T, и RC фильтре нижних частот. Формирователь импульсов управления коммутатором выполнен на счетном триггере (микросхема К561ТМ2), распределяющем сигналы управления на входы положительного и отрицательного подключения полярности выходных импульсов тока, и транзисторах IRF530, выполняющих функцию усилителей мощности. Соленоид выполнен из кабеля КГ5*10, а соединение секций соленоидов друг с другом производиться кабельными разъемами (вилка - розетка) типа 32/400/5 фирмы Mennekes.