ВНУТРИТРУБНЫЙ МАГНИТНЫЙ ДЕФЕКТОСКОП С ПОПЕРЕЧНЫМ НАМАГНИЧИВАНИЕМ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к устройствам для наблюдения за состоянием трубопроводов большой протяженности, а именно для определения дефектов магистральных нефтегазопродуктопроводов путем пропуска внутри обследуемого трубопровода диагностического снаряда, записи в бортовом компьютере данных и последующего определения параметров дефектов трубопровода по накопленным данным.
Известен магнитный проходной дефектоскоп (патент RU 2144182, oп. 10.01.2000). Дефектоскоп содержит цилиндрическое основание с опорной и тянущей манжетами, систему намагничивания, включающую два блока поперечного намагничивания в виде кольцевых поясов, размещенных на цилиндрическом основании, содержащих магнитные модули с попарно встречными направлениями магнитного поля и расположенных со смещением друг относительно друга.
Блоки поперечного намагничивания обеспечивают намагничивание трубы в двух кольцевых сечениях со смещением одного кольца относительно другого равным πd/2n, где n - число пар полюсов. Намагничивание производится участками с попарно встречными направлениями магнитного поля в каждом сечении. Смещение кольцевых рядов блоков намагничивания обеспечивает сканирование по всему периметру внутренней поверхности трубы.
Измерительная система - система съема информации, содержит датчики магнитного поля, размещенные на упругих эластичных элементах с шагом не более 4 мм. В качестве датчиков магнитного поля используются преобразователи Холла, которые устанавливаются в количестве, обеспечивающем восстановление магнитного рельефа над внутренней поверхностью трубы.
Датчики установлены в межполюсном пространстве магнитных модулей системы намагничивания, выполненных в виде П-образных электромагнитов, с возможностью контакта с внутренней поверхностью трубопровода.
Намагничивание секторов трубы между полюсами блоков намагничивания, до необходимой величины, в зависимости от толщины стенки и магнитных свойств материала обеспечивается путем пропускания постоянного тока по обмоткам электромагнитов. Для создания полей рассеяния дефектов типа стресс-коррозии и продольных трещин используются электромагниты постоянного тока, питаемые постоянным током от бортового турбогенератора. Необходимая величина намагниченности трубы в зависимости от толщины стенки и магнитных свойств материала обеспечивается за счет регулирования величины постоянного тока, протекающего по обмоткам полюсов электромагнитов.
Дефектоскоп содержит также блок питания, блок обработки и накопления информации, блок измерения скорости движения дефектоскопа.
Известный дефектоскоп не обеспечивает достаточной достоверности восстановления поля рассеивания дефектов и надежности определения опасности выявленных дефектов при установке преобразователей на расстоянии, соответствующем области верхней границы указанного диапазона. При определении параметров дефектов учитываются только потоки рассеяния магнитного потока в воздухе над дефектом и не определяются магнитные потоки, обтекающие дефект в теле стенки трубы, что дополнительно снижает точность определения параметров дефектов.
Кроме того, хотя в известном дефектоскопе предусмотрены меры по устранению влияния магнитных полей рассеивания полюсов намагничивающей системы на датчики магнитного поля, они недостаточно эффективны и приводят к увеличению габаритов дефектоскопа.
В дефектоскопе достаточно сложно организована система, обеспечивающая его вращение и сканирование поверхности трубопровода по винтовой линии.
Кроме того, для работы дефектоскопа необходимо большое количество электроэнергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является магистральный проходной магнитный дефектоскоп (патент RU 2303779, oп. 27.07.2007). Дефектоскоп выполнен в виде секции, которая содержит цилиндрическое основание (корпус) на концах которого установлены опорно-двигательные элементы из опорной манжеты и тянущей манжеты, намагничивающую систему, выполненную в виде установленных на корпусе двух намагничивающих поясов из радиально намагниченных постоянных магнитов, на полюсах которых закреплены магнитные щетки (дистанциирующие элементы) из магнитомягкого материала, каждый из намагничивающих поясов разбит на магнитные модули поперченного намагничивания, образованные двумя разнополярными блоками, при этом внутри магнитного модуля выполнено отверстие, играющее роль измерительной зоны. Пары соседних магнитных модулей с разнонаправленным намагничиванием в измерительной зоне равномерно расположены по периметру намагничивающего пояса и смещены относительно пар магнитных модулей другого намагничивающего пояса на πd/2n, где d - диаметр кольцевого пояса системы намагничивания, n - число полюсов кольцевого пояса блока намагничивания. Измерительная система - система съема информации содержит датчики магнитного поля, размещенные на упругих эластичных элементах ("ластах"), установленных в измерительной зоне (межполюсном пространстве) магнитных модулей системы намагничивания с возможностью контакта с внутренней поверхностью трубопровода. Расстояние между датчиками составляет не более 3,5 мм. В качестве датчиков магнитного поля используются преобразователи Холла, которые устанавливаются в количестве, обеспечивающем восстановление магнитного рельефа над внутренней поверхностью трубы.
Дефектоскоп содержит также блок питания, блок обработки и накопления информации, блок измерения скорости движения дефектоскопа.
Дефектоскоп потребляет меньшее количество электроэнергии, поскольку для намагничивания используются постоянные магниты.
Недостатком данного устройства является то, что при определении параметров дефектов учитываются только потоки рассеяния магнитного потока в воздухе над дефектом и не определяются магнитные потоки обтекающие дефект в теле стенки трубы. Это снижает точность определения параметров дефектов (длина, ширина и глубина).
у
Сущность полезной модели по первому варианту заключается в том, что внутритрубный магнитный дефектоскоп с поперечным намагничиванием, выполненный в виде секции, содержит корпус (ярмо), на торцах которого расположены опорно-двигательные элементы, намагничивающую систему, выполненную в виде установленных на корпусе двух намагничивающих поясов из радиально намагниченных постоянных магнитов, на полюсах которых закреплены магнитные щетки из магнитомягкого материала, каждый из намагничивающих поясов разбит на магнитные модули поперченного намагничивания, образованные двумя разнополярными блоками (полюсами), причем, внутри магнитного модуля выполнено отверстие - межполюсное пространство, которое образует измерительную зону. Магнитные модули равномерно расположены по периметру намагничивающего пояса, причем намагничивание в соседних магнитных модулях разнонаправленное. Магнитные модули одного намагничивающего пояса смещены относительно магнитных модулей другого намагничивающего пояса на угол π/n, где n - количество магнитных модулей в намагничивающей поясе. В измерительной зоне установлены подпружиненные к стенкам трубы датчики магнитного поля, измеряющих компоненту магнитного поля Н перпендикулярную образующей трубы.
Дополнительно в устройство введены датчики направления магнитного поля, измеряющие угол α между направлением вектора магнитного поля и направлением перпендикулярным образующей трубы, причем датчики направления магнитного поля чередуются в измерительной зоне с датчиками магнитного поля.
В качестве датчиков направления магнитного поля используются тонкопленочные магниторезистивные датчики, либо другие датчики, измеряющие направление вектора магнитного поля.
у
у
В основе работы заявляемого внутритрубного магнитного дефектоскопа лежит принцип измерения магнитного потока рассеяния над дефектом, т.е. измерения компоненты вектора магнитного поля Н перпендикулярной образующей трубы. По измерениям величины Н с высокой точностью можно определить параметры дефектов сильно вытянутых перпендикулярно направлению приложенного магнитного поля (дефекты типа швов). Но для дефектов типа лунки, магнитный поток рассеивается не только в воздух, но и растекается в стороны от дефекта. Учесть величину магнитного потока, обтекающего дефект, позволяет измерение дополнительной компоненты магнитного поля - направления магнитного потока в стенке трубы, т.е. измерение угла α. Несмотря на то, что измерение производится над поверхностью трубы, общеизвестно, что в намагниченном материале тангенциальные составляющие магнитного поля на его поверхности являются непрерывными, т.е. измеренный на поверхности угол α соответствует направлению магнитного потока в стенке трубы.
Определение количества магнитного потока, обтекающего дефект, позволяет существенно повысить точность при определении параметров дефектов (их глубины, длины и ширины).
у
Сущность полезной модели по второму варианту заключается в том, что внутритрубный магнитный дефектоскоп с поперечным намагничиванием, выполненный в виде секции, содержащей корпус (ярмо), на торцах которого расположены опорно-двигательные элементы, намагничивающую систему, выполненную в виде установленных на корпусе намагничивающего пояса из радиально намагниченных постоянных магнитов, на полюсах которых закреплены магнитные щетки из магнитомягкого материала, намагничивающий пояс разбит на магнитные модули поперечного намагничивания, образованные двумя разнополярными блоками (полюсами), при этом внутри магнитного модуля выполнено отверстие - межполюсное пространство, образующее измерительную зону. Магнитные модули с разнонаправленным намагничиванием в измерительной зоне чередуясь равномерно расположены по периметру намагничивающего пояса. В измерительной зоне установлены подпружиненные к стенкам трубы датчики магнитного поля, измеряющих компоненту магнитного поля Н направленную перпендикулярно образующей трубы. Дополнительно к первой секции через сцепное устройство подключена вторая аналогичная секция, которая смещена относительно первой секции на угол π/n, где n - количество магнитных модулей в намагничивающей поясе. В измерительной зоне установлены подпружиненные к стенкам трубы датчики направления магнитного поля, измеряющие угол α, между направлением вектора магнитного поля и направлением перпендикулярным образующей трубы, причем датчики направления магнитного поля чередуются в измерительной зоне с датчиками магнитного поля.
Сцепное устройство выполнено с возможностью гибкого осевого углового смещения, но без углового смещения секций, что обеспечивает последовательное синхронное взаимное движение секций относительно профиля трубопровода.
Как и в первом варианте, определение количества магнитного потока, обтекающего дефект, позволяет существенно повысить точность при определении параметров дефектов (их глубины, длины и ширины).
Детальное изложение конструкции устройства и его принципа действия иллюстрировано чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид устройства по первому варианту;
на фиг.2 изображен общий вид устройства по второму варианту;
на фиг.3 дано сечение верхней части секции по первому варианту, запассованной в трубопровод;
на фиг.4 приведен общий схематический вид магнитного модуля;
на фиг.5 приведена развертка трубы с двумя намагничивающими поясами, включающими по два магнитных модуля;
на фиг.6 показано распределение магнитного потока в стенках трубы при наличии дефекта;
на фиг.7 дана электрическая блок схема устройства.
Устройство по первому варианту конструктивно выполнено в виде одной секции - внутритрубного снаряда, которая содержит цилиндрический корпус (ярмо) 1, выполненный из магнитомягкого материала (фиг.1, 3). На торцевых гранях корпуса 1 установлены опорно-двигательные элементы 2, выполненные в виде конических манжет 3 и подпружиненных роликов 4, закрепленных по периметру в передней и задней части корпуса 1.
Опорно-двигательные элементы 2 обеспечивают центровку устройства в трубопроводе и несут на себе вес устройства. Перепад давления, создаваемый плотным прилеганием опорно-двигательных элементов 2 к стенкам 5 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 6 обтекатель 7. На концах корпуса 1 могут быть установлены датчики пройденного пути - одометры 8. Скоба 6 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 9 и блок 10 питания (фиг.7).
Намагничивающая система устройства по первому варианту состоит из ярма 1 (цилиндрический корпус) и двух радиально намагничивающих поясов, каждый из которых содержит пояс постоянных магнитов, соответственно 11 и 12 и пояс гибких магнитных щеток, соответственно 13 и 14 (фиг.3). Постоянные магниты 11 и 12 по окружности одним полюсом закрепляются на ярме 1, к внешнему противоположному полюсу магнитов 11 и 12 устанавливают одним концом магнитные щетки 13 и 14, другим концом которые касаются внутренней поверхности трубы 5, замыкая тем самым магнитный поток. Каждый из намагничивающих поясов выполнен (образован) из набора магнитных модулей 15 поперечного намагничивания, каждый из которых представляет собой пару магнитных блоков (полюсов) 16 и 17, в которых направление намагничивания постоянных магнитов 11 и 12 противоположное. В центре магнитного модуля 15 выполнено отверстие 18 в намагничивающем поясе - межполюсное пространство, которое играет роль измерительной зоны (фиг.4).
Магнитные модули 15 с разнонаправленным намагничиванием в измерительной зоне чередуясь равномерно расположены по периметру намагничивающего пояса, причем магнитные модули 15 одного намагничивающего пояса смещены относительно магнитных модулей 15 другого намагничивающего пояса на угол π/n, где n - количество магнитных модулей в намагничивающей поясе (фиг.5). Такое смещение магнитных модулей 15 в соседних намагничивающих поясах обеспечивает сканирование по всему периметру внутренней поверхности трубы.
у
В измерительной зоне расположена измерительная система, содержащая чередующиеся между собой датчики 19 измеряющие компоненту магнитного поля Н перпендикулярную образующей трубы.
Дополнительно в устройство введены датчики 20 направления магнитного поля, измеряющие угол α между направлением вектора магнитного поля на поверхности трубы и направлением перпендикулярным образующей трубы, причем датчики 20 направления магнитного поля чередуются в измерительной зоне с датчиками 19 магнитного поля (фиг.6).
В качестве датчиков 20 могут быть использованы тонкопленочные магниторезистивные датчики или другие типы датчиков, определяющих направление магнитного поля, либо другие датчики, измеряющие направление вектора магнитного поля.
Датчики 19 магнитного поля и датчики 20 направления магнитного поля измерительного пояса прижимаются к внутренней поверхности трубопровода 5 с помощью упругих элементов ("ласт") 21.
Устройство по второму варианту конструктивно выполнено в виде сочлененного внутритрубного снаряда, содержащего как минимум две секции, скрепленные сцепным устройством 22. Каждая из сочлененных секций содержит цилиндрический корпус (ярмо) 1, выполненный из магнитомягкого материала (фиг.2). На торцевых гранях корпуса 1 установлены опорно-двигательные элементы 2, выполненные в виде конических обтекателей 3 и подпружиненных роликов 4, закрепленных по периметру в передней и задней части корпуса 1. Опорно-двигательные элементы 2 обеспечивают центровку устройства в трубопроводе и несут на себе вес устройства. Перепад давления, создаваемый плотным прилеганием опорно-двигательных элементов 2 к стенкам 5 трубопровода, обеспечивает перемещение устройства в обследуемом трубопроводе потоком транспортируемого по нему продукта. В носовой части устройства крепится скоба 6 и обтекатель 7. На концах опорно-двигательных элементов 2 могут быть установлены датчики пройденного пути - одометры 8. 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 9 и блок 10 питания (фиг.7).
Намагничивающая система первой секций состоит из ярма 1 и первого намагничивающего пояса, который содержит пояс постоянных магнитов 11 и пояс гибких магнитных щеток 13. Намагничивающая система второй секций состоит из ярма 1.1 и второго намагничивающего пояса, который содержит пояс постоянных магнитов 12 и пояс гибких магнитных щеток 14.
В первой секции постоянные магниты 11 по окружности закрепляются на ярме 1, к внешней поверхности магнитов 11 устанавливают одним концом магнитные щетки 13, другим концом которые касаются внутренней поверхности трубы 5, замыкая тем самым магнитный поток. Первый намагничивающий пояс выполнен из набора магнитных модулей 15, каждый из которых представляет собой пару магнитных блоков (полюсов) 16 и 17, в которых направление намагничивания в постоянных магнитах 11 разнонаправленное. В центре магнитного модуля 15 выполнено отверстие 18 в намагничивающем поясе - межполюсное пространство, которое образует измерительную зону. Магнитные модули 15 с встречным направлением магнитного поля в измерительной зоне, чередуясь расположены равномерно по периметру первого намагничивающего пояса.
Во второй секции постоянные магниты 12 по окружности закрепляются на ярме 1.1, к внешней поверхности магнитов 12 устанавливают одним концом магнитные щетки 14, другим концом которые касаются внутренней поверхности трубы 5, замыкая тем самым магнитный поток. Второй намагничивающий пояс выполнен из набора магнитных модулей 15, каждый из которых представляет собой пару магнитных блоков (полюсов) 16 и 17, в которых направление намагничивания в постоянных магнитах 12 разнонаправленное. В центре магнитного модуля 15 выполнено отверстие 18 в намагничивающем поясе - межполюсное пространство, которое образует измерительную зону. Магнитные модули 15 с встречным направлением магнитного поля в измерительной зоне, чередуясь расположены равномерно по периметру второго намагничивающего пояса.
Магнитные модули 15 первого намагничивающего пояса смещены относительно магнитных модулей 15 второго намагничивающего пояса за счет углового смещения первой секции относительно второй секции. Угол смещения составляет π/n, где n - количество магнитных модулей в поясе.
Такое смещение магнитных модулей 15 в последовательно установленных намагничивающих поясах обеспечивает сканирование по всему периметру внутренней поверхности трубы.
Постоянство углового смещения секций обеспечивает сцепное устройство 22. Сцепное устройство 22 выполнено с возможностью гибкого осевого углового смещения, но не допускает углового смещения секций, что обеспечивает последовательное синхронное взаимное движение секций относительно профиля трубопровода.
у
Измерительная система устройства включает датчики 19 измеряющие амплитуду компоненты магнитного поля Н нарпавленной перпендикулярно образующей трубы и датчики 20 направления магнитного поля, измеряющие азимутальный угол α на поверхности трубы, характеризующий изменение вектора магнитного потока в стенке трубы относительно направления перпендикулярного образующей трубы.
Датчики 19 и 20, в виде гребенки чередуясь между собой, установлены в измерительной зоне - отверстии 18 каждого из магнитных модулей 15 и прижимаются к внутренней поверхности трубопровода 5 с помощью упругих элементов ("ласт") 20.
В качестве датчиков могут быть использованы тонкопленочные магниторезистивные датчики или другие типы датчиков, определяющих направление магнитного поля, либо другие датчики, измеряющие направление вектора магнитного поля.
Внутри корпуса 1 (фиг.7) расположены бортовой компьютер 9 и блок питания 10. Блок 10 питания содержит батарейную секцию 23, модуль 24 преобразования напряжения батареи в напряжение, необходимое для питания электронных модулей, искрозащитный модуль 25 и модуль распределения питания 26. Электрический выход батарейной секции 23 подключен к входу модуля преобразования напряжения 24, выходы которого подключены через искрозащитный модуль 25 к модулю распределения питания 26. Выходы модуля распределения питания 26 подключены ко всем электронным модулям и элементам устройства. Бортовой компьютер 9 содержит процессор 27, блок 28 аналого-цифрового преобразования данных измерений и запоминающее устройство 29 на базе твердотельной интегральной схемы.
Устройство содержит также дополнительные датчики. Датчик 30 внешнего давления, датчик 31 углового поворота и датчик 32 температуры. Информационные выходы датчиков 19 и 20, одометра 8, датчика 30 внешнего давления, датчика 31 углового поворота и датчика 32 температуры подключены к соответствующим входам блока 28 аналого-цифрового преобразования.
Через шлюзовую камеру устройство - внутритрубный снаряд вводится в начало контролируемого участка трубопровода 5. Причем на период контроля трубопровода 5 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 5 сигналы от датчиков 19 магнитного поля и датчиков 20 направления магнитного поля поступают в бортовой компьютер 9. Затем, данные измерений обрабатываются и записываются в запоминающее 29 устройство бортового компьютера 9. По завершении контроля заданного участка трубопровода 5 устройство извлекают из трубопровода 5 и накопленные в процессе диагностики данные переносят на стационарный компьютер.
Последующий анализ записанных данных позволяет сделать вывод о наличии дефектов и определить их размеры.