СПОСОБ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ ПРОФИЛЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБОПРОВОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MAGNETIC INSPECTION OF INTERIOR PROFILE OF PIPELINES AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к способам наблюдения за состоянием трубопроводов большой протяженности, а именно для определения профиля внутренней поверхности нефтегазопродуктопроводов путем пропуска внутри обследуемого трубопровода диагностического снаряда, записи в бортовом компьютере данных магнитного поля, создаваемого снарядом, и последующего определения параметров профиля трубопровода по накопленным данным.
Известно инспектирующее устройство и способ для выявления аномалий в стенках трубопровода (патент 5864232 США, оп. 26.01.1999). Устройство содержит цилиндрический корпус и расположенную по окружности систему намагничивания и измерительную систему. Система намагничивания выполнена в виде пояса радиально расположенных по окружности П-образных брусков, на торцевых поверхностях которых установлены магниты, причем к первой и второй торцевой поверхности магниты крепятся разными полюсами. На магнитах устанавливаются щетки, которые выполнены из стальных кабелей, заключенных в полиуретановую оболочку. П-образные бруски подпружинены к внутренней поверхности трубопровода с помощью упругих элементов крепления, что обеспечивает подвижное плотное прилегание магнитов к внутренней поверхности трубы с возможностью огибания препятствий.
Измерительная система также представляет собой пояс из датчиков, которые установлены в центральной части П-образных брусков, между щетками. Датчики закреплены с помощью упругих элементов, чтобы следовать за контуром стенки трубопровода в процессе движения снаряда внутри трубопровода.
Для уменьшения износа П-образные бруски установлены на подвижном колесном шасси, а на датчиках нанесено защитное покрытие или установлены защитные пластинки.
В основе работы устройства лежит метод MFL (magnetic flux leakage), основанный на измерении магнитного потока утечки, который позволяет обнаружить дефекты в стенках трубопровода. Метод MFL заключается в намагничивании стенки трубы и измерении датчиками утечек магнитного поля, вызванных аномалиями в материале стенки трубы. При отсутствии аномалий, магнитное поле будет непрерывно и не будет утечек магнитного поля. Если имеется аномалия типа трещины, магнитное поле в стене трубопровода будет изменяться (прерываться), что позволяет выявить дефекты.
Недостатком данного способа и устройства является то, что таким способом можно определять дефекты типа потери сплошности в стенках трубы, но нельзя определять диаметр трубы, вмятины и наличие немагнитных препятствий в трубе.
Наиболее близким к заявляемому способу является метод неразрушающего контроля формы внутренней поверхности трубопровода из ферромагнитного материала и устройство для его осуществления (патент США 4468619, оп.28.08.1984).
Физическая сущность способа заключается в том, что ненасыщающий источник магнитного поля создает радиальный магнитный поток в непосредственной близости, но на небольшом удалении от внутренней поверхности стенки, при этом внутренняя поверхность трубопровода становится приблизительно магнитной эквипотенциальной поверхностью и силовые магнитные линии поля входят в поверхность в перпендикулярном направлении к профилю трубы. В процессе продольного осевого движения с помощью датчиков магнитного поля, расположенных между ненасыщающим источником магнитного поля и внутренней поверхностью трубопровода, последовательно измеряют компоненты магнитного поля в смежных точках, параллельных оси трубопровода. По изменениям магнитного поля судят о дефектах на внутренней поверхности трубопровода.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к заявляемому устройству является дефектоскоп (патент 2133032 РФ, оп.10.07.1999).
Устройство конструктивно выполнено в виде внутритрубного снаряда и содержит цилиндрический корпус (ярмо), выполненный из магнитомягкого материала. На торцевых гранях корпуса установлены опорно-двигательные элементы, которые обеспечивают центровку устройства в трубопроводе и несут на себе вес устройства. Устройство содержит намагничивающую систему в виде расположенных непосредственно на корпусе двух намагничивающих поясов из радиально намагниченных постоянных магнитов, на полюсах которых установлены щетки из магнитомягкого материала, контактирующие с внутренней поверхностью трубы, причем направление намагниченности в первом и втором намагничивающих поясах противоположное, и измерительную систему с поясом из датчиков магнитного поля, подпружиненных к стенке трубы, установленную между намагничивающими поясами.
Устройство внутри трубопровода перемещают за счет давления транспортируемого продукта. В процессе движения измеряют изменения магнитного поля, которые вызваны дефектами на внутренней поверхности трубопровода. По результатам измерения выявляют внутренние дефекты стенок трубопровода и изменение его профиля.
Недостатком способа и устройства является то, что каждый датчик требует предварительной калибровки, параметры которой определяются не столько метрологическими характеристиками датчиков, сколько параметрами неоднородного магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами. Поскольку во время движения снаряда вблизи магнитов скапливается ферромагнитная грязь, меняется температура и давление, то будут меняться и параметры калибровки каждого датчика. Поэтому точность определения параметров формы внутренней поверхности трубопровода будет низкая.
Сущность заявляемого способа заключается в том, что между ярмом внутритрубного снаряда и стенкой трубопровода создается стабильная, не меняющаяся при движении снаряда, разность магнитных потенциалов, а поверхность ярма и поверхность стенки трубы над ярмом при этом являются эквипотенциальными поверхностями. Датчики магнитного поля измеряют топографию магнитного поля в непосредственной близости к трубе и на заданном расстоянии от ярма снаряда. Измерение топографии магнитного поля на двух уровнях между трубой и ярмом достаточно для однозначного определения профиля внутренней поверхности трубы. Увеличение точности в определении неоднородностей профиля трубы может быть достигнуто за счет уменьшения шага при сканировании топографии поля и измерением топографии поля не на двух, а на трех или большем количестве уровней.
Для создания стабильной разности магнитных потенциалов между трубой и ярмом используются постоянные магниты, укрепленные в передней и задней части ярма, а магнитный поток от магнитов передается в трубу через гибкие магнитомягкие щетки, а затем через воздух в центр ярма и обратно в магниты. Поскольку щетки, труба и ярмо изготовлены из магнитомягкого материала, то магнитный потенциал падает исключительно в воздухе между трубой и ярмом (в рамках необходимого приближения), и не меняется при движении снаряда и колебаниях снаряда относительно оси трубы.
Способ и реализующее его устройство позволяют выявить и определить размеры дефектов внутренней поверхности трубы типа потери металла, определить такие параметры профиля трубы как внутренний диаметр трубы, эллиптичность трубы, вмятины и вспучивание стенки трубы. Кроме того, заявляемое изобретение обеспечивает возможность определять параметры немагнитных препятствий, например, таких как лед. Устройство не требует предварительной калибровки, поскольку проводить калибровку можно на любом бездефектном участке трубы с известным диаметром. Поэтому изменение параметров намагничивающей системы в процессе движения, например, за счет прилипания ферромагнитной грязи к магнитам может отслеживаться по ходу движения и не приведет к ухудшению точностных характеристик снаряда.
Детальное изложение конструкции устройства и его принципа действия иллюстрировано чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид устройства;
на фиг.2 изображено устройство вид сбоку;
на фиг.3 дано сечение верхней части устройства, запассованного в трубопровод с одной измерительной секцией;
на фиг.4 дана электрическая блок схема устройства.
на фиг.5 дано сечение верхней части устройства, запассованного в трубопровод с двумя измерительными секциями.
Устройство конструктивно выполнено в виде внутритрубного снаряда и содержит цилиндрический корпус (ярмо) 1, выполненный из магнитомягкого материала (фиг.1, 2, 3 и 5). На торцевых гранях корпуса 1 установлены опорно-двигательные элементы 2, которые обеспечивают центровку устройства в трубопроводе и несут на себе вес устройства. Перепад давления, создаваемый плотным прилеганием опорно-двигательных элементов 2 к стенкам 3 трубопровода обеспечивает перемещение устройства в обследуемом трубопроводе потоком транспортируемого по нему продукта. Опорно-двигательные элементы 2 могут быть выполнены в виде манжет, изготовленных из износостойкого полиуретана большой прочности, либо в виде дисков, также изготовленных из полиуретана. В носовой части устройства крепится скоба 4 и обтекатель 5. На концах опорно-двигательных элементов 2 могут быть установлены ролики 6 и датчики пройденного пути - одометры 7. Скоба 4 используется при транспортно-погрузочных работах, для установки устройства в трубопровод, а также для сцепления его с дополнительным измерительным устройством при создании многосекционного устройства. Внутри корпуса 1 выполнены средства для регулирования скорости движения снаряда в виде регулируемого байпасного патрубка для перепуска транспортируемого по трубопроводу продукта (на чертежах не показаны), а также размещены дополнительные измерительные датчики, бортовой компьютер 8 и блок 9 питания (фиг.4).
Намагничивающая система устройства состоит из ярма 1 и двух идентичных намагничивающих поясов, каждый из которых содержит пояс постоянных магнитов, соответственно 12 и 13 и пояс гибких магнитных щеток соответственно 10 и 11. Направление намагничивания в постоянных магнитах 12 и 13 одинаковое от ярма к трубе. Намагничивающий пояс может также быть выполнен в виде кольцевого магнита с радиальной намагниченностью, на внешней поверхности которого закреплены гибкие магнитные щетки.
Между намагничивающими поясами расположена измерительная система, содержащая датчики магнитного поля, причем датчики расположены по периметру в виде измерительного пояса. Первый измерительный пояс выполнен из датчиков 14 магнитного поля, второй измерительный пояс выполнен из датчиков 15 магнитного поля (фиг.3 и 5). Датчики 14 первого измерительного пояса прижимаются с помощью упругих элементов ("ласт") 16 к внутренней поверхности трубопровода 3, а датчики 15 магнитного поля второго измерительного пояса жестко закреплены на небольшом, заданном расстоянии от корпуса (ярма) 1. Несколько измерительных поясов, расположенных в одном сечении, образуют измерительную секцию. Число измерительных поясов в одной секции может быть различным - один, два и более. Кроме того, измерительная система может содержать несколько измерительных секций, разнесенных вдоль оси движения снаряда, в области между намагничивающими поясами (фиг.5). Вторая измерительная секция содержит первый измерительный пояс из датчиков 17, которые прижимаются с помощью упругих элементов ("ласт") 18 к внутренней поверхности трубопровода 3 и второй измерительный пояс из датчиков 19 магнитного поля, которые жестко закреплены на небольшом, заданном расстоянии от корпуса (ярма) 1.
Внутри корпуса 1 (фиг.4) расположены блок питания 9 и бортовой компьютер 8. Блок 9 питания содержит батарейную секцию 20, модуль 21 преобразования напряжения батареи в напряжение, необходимое для питания электронных модулей, искрозащитный модуль 22 и модуль распределения питания 23. Электрический выход батарейной секции 20 подключен к входу модуля преобразования напряжения 21, выходы которого подключены через искрозащитный модуль 22 к модулю распределения питания 23. Выходы модуля распределения питания 23 подключены ко всем электронным модулям и элементам устройства. Бортовой компьютер 8 содержит процессор 24, блок 25 аналого-цифрового преобразования данных измерений и запоминающее устройство 26 на базе твердотельной интегральной схемы.
Устройство содержит также дополнительные датчики. Датчик 27 внешнего давления, датчик 28 углового поворота и датчик 29 температуры. Информационные выходы датчиков 14 и 15, одометра 7, датчика 27 внешнего давления, датчика 28 углового поворота и датчика 29 температуры подключены к соответствующим входам блока 25 аналого-цифрового преобразования.
Через шлюзовую камеру устройство - внутритрубный снаряд вводится в начало контролируемого участка трубопровода 3. Причем на период контроля трубопровода 3 подача транспортируемого продукта через него не прекращается. Оптимальная расчетная скорость движения внутритрубного снаряда по трубе составляет 1-3 м/с при скорости движения транспортируемого продукта, например газа, до 17 м/с. Скорость передвижения обеспечивается, так называемой "байпасной" схемой взаимодействия транспортируемого продукта и внутритрубного снаряда, при которой транспортируемый продукт, обтекая элементы конструкции снаряда, создает аэродинамическую силу, заставляющую снаряд непрерывно перемещаться в направлении потока транспортируемого продукта.
При движении устройства по трубопроводу 3 в зависимости от целей контроля и необходимой точности измеряется величина магнитного поля вблизи внутренней поверхности трубопровода 3, величина магнитного поля вблизи ярма 1 или величина магнитного поля на определенном заданном расстоянии от ярма 1. Данные измерений обрабатываются и записываются в запоминающее 26 устройство бортового компьютера 8.
По завершении контроля заданного участка трубопровода 3 устройство извлекают из трубопровода 3 и накопленные в процессе диагностики данные переносят на стационарный компьютер.
Последующий анализ записанных данных позволяет сделать вывод о наличии дефектов и определить их размеры.
Способ магнитного контроля внутренней поверхности трубопровода основан на создании стабильной разности магнитных потенциалов между корпусом снаряда (ярмом) 1 и внутренней стенкой трубы 3 (фиг.3). Ярмо 1, гибкие щетки 10 и 11 и стенка трубы 3 выполнены из магнитомягкого материала, поэтому внутреннею поверхность трубы 3 и поверхность ярма 1 можно считать поверхностями равного скалярного магнитного потенциала. Для определения параметров профиля трубы производится измерение компонент магнитного поля поясом датчиков 14, установленных на ластах 16 скользящих по поверхности трубы и вторым поясом датчиков 15 установленных на заданном расстоянии от поверхности ярма 1. В процессе движения снаряда регистрируется топография магнитного поля на заданных траекториях движения датчиков 14 и 15.
Разность магнитных потенциалов создается расположенными на ярме двумя идентичными намагничивающими поясами из радиально намагниченных постоянных магнитов 12 и 13 и щеток 10 и 11, выполненных из магнитомягкого материала. Щетки 10 и 11 замыкают магнитный поток от магнитов 12 и 13 к трубе 3 без воздушного зазора. Замыкание магнитного потока от магнитов к трубе через гибкие магнитомягкие щетки 10 и 11 обеспечивает стабильность разности потенциалов при изменении расстояния между ярмом 1 и трубой 3 в процессе движения устройства.
Магнитные потоки в ярме 1 от двух идентичных намагничивающих поясов из магнитов 12 и 13 направлены в ярме навстречу друг другу и замыкаются через воздух, распространяясь радиально из центра ярма 1 в стенку трубы 3, и далее через щетки 10 и 11 обратно в магниты 12 и 13. Для стабильной работы устройства материалы трубы, ярма и щеток должны оставаться магнитомягкими, поэтому протекающие магнитные потоки не должны вводить материалы этих элементов в область технического насыщения. Из этих соображений выбираются параметры магнитов 12 и 13, ярма 1 и щеток 10 и 11.
Два измерительных пояса из датчиков 14 и 15 в снаряде позволяют калибровать устройство (то есть находить разность потенциалов, созданную магнитами) по показаниям датчиков 14 и 15 в любой бездефектной трубе, даже заранее не зная диаметр этой трубы. Тем самым при прохождении снарядом больших расстояний можно отслеживать изменение заданной разности потенциалов, которая может меняться, например, вследствие ухода рабочей точки магнитов при изменении температуры или по другим причинам.
Устройство позволяет выявить и образмерить дефекты внутренней поверхности трубы типа потери металла, определить такие параметры профиля трубы как внутренний диаметр трубы, эллиптичность трубы, вмятины и вспучивание стенки трубы. Кроме того, устройство способно определить параметры немагнитных препятствий, которые огибают "ласты" (упругие элементы крепления датчиков магнитного поля) в процессе движения, например, таких как лед.
Устройство не чувствительно к дефектам наружной поверхности стенки трубы, поэтому по результатам проходов снарядов MFL и заявляемого внутритрубного снаряда можно с очень высокой достоверностью разделять наружные и внутренние дефекты. Последнее обстоятельство позволяет с повышенной точностью выявлять актуальные дефекты вблизи сварных швов как внутренние, так и наружные, поскольку определение формы внутреннего валика сварного шва существенно влияет на реконструкцию дефектов в шве либо вблизи него.
х
у
z
z
Для повышения точности реконструкции параметров профилеметрии необходимо измерять три компоненты магнитного поля Н, Н, H. Однако измерение только нормальной составляющей магнитного поля H является достаточным условием для однозначного восстановления требуемых параметров.