УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ТРУБОПРОВОДОВ ПО МЕТОДУ МАГНИТНОЙ ПАМЯТИ МЕТАЛЛА (МПМ)

Полезная модель относится к области диагностики состояния материалов и конструкций и может быть использовано при обследовании технологических и магистральных трубопроводов, в том числе нефтепроводов и газопроводов, устройствами неразрушающего контроля внутритрубной диагностики (ВТД), а именно внутритрубными диагностическими снарядами, использующими метод магнитной памяти металлов (МПМ).
МПМ не требует искусственного намагничивания, используется естественная намагниченность, которая сложилась при изготовлении и эксплуатации труб. (Патент РФ №2585796, G01L 1/12, опубл. 10.06.2016), (Дубов А.А., Дубов Ал.Α., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: Учебное пособие, 5-е изд. М.: ИД «Спектр», 2012. 395 с.).
В экспериментальных и теоретических исследованиях установлено, что эта собственная намагниченность трубопровода отображает фактическое напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопровода, интегрально обусловленное рядом факторов: структурной неоднородностью металла; остаточными напряжениями после изготовления труб; напряжениями, сложившимися в процессе строительно-монтажных работ, и напряжениями от самокомпенсации температурных расширений при эксплуатации.
Следует отметить, что контроль НДС трубопроводов с целью выявления локальных зон концентрации напряжений (ЗКН) источников развития повреждений методом МПМ в отличие от устройств с искусственной намагниченностью (Патент ФРГ №19502764, G01N 29/04, опубл. 01.08.1996), (Патент Великобритании №2147102, G01N 29/04, опубл. 01.05.1985) значительно упрощает конструкцию внутритрубного диагностического снаряда для ВТД, поскольку в известных устройствах с искусственной намагниченностью для создания магнитного поля в стенках трубы используются магнитопроводы, изготовленные в виде щеток из стальной проволоки. При касании щеток со стенкой трубы может произойти искрообразование, что недопустимо, например, в газопроводах.
Наиболее близким к заявленному является устройство для диагностики трубопроводов, содержащее корпус, транспортирующий модуль корпуса с упругими манжетами, выполненными с диаметром большим внутреннего диаметра трубы, измерительный модуль, и служебные модули для обработки и сортировки первичной информации, запоминания результатов диагностики, определения координат и параметров движения устройства, и источник электропитания, установленные внутри корпуса и соединенные между собой. При этом измерительный модуль выполнен с возможностью измерения напряженности собственных магнитных полей, создаваемых в металле трубы скоплениями дислокаций и двойников, являющимися зародышами дефектов или областями их интенсивного роста. Измерения напряженности собственных магнитных полей осуществляется посредством феррозондовых датчиков нормальной и тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля, закрепленных в части корпуса транспортирующего модуля по окружности, и многоканального преобразователя сигналов, входы которого соединены с выходами феррозондовых датчиков, а выходы - с соответствующими входами служебного модуля для обработки и сортировки первичной информации, (Патент РФ №2149367, G01L 1/12, опубл. 20.05.2000).
В известном устройстве феррозондовые датчики закреплены на наружной поверхности части корпуса транспортирующего модуля по окружности, совпадающей с внутренней поверхностью контролируемой трубы. Упругие манжеты служат для центрирования корпуса транспортируемого модуля относительно оси контролируемой трубы, а также выполняют роль "паруса", принимающего на себя давление транспортируемой среды (газа или другого продукта) и продвигающего по трубе весь внутритрубный диагностический снарядам. Для питания электрической энергией всех потребителей устройства могут быть использованы генераторы, располагаемые в служебном модуле и работающие от приводных колес, служащих одновременно измерителем пройденного пути и скорости устройства. Все модули выполнены в виде отдельных корпусов, соединенных между собой карданными шарнирами, обеспечивающими возможность отслеживания пространственных изгибов оси диагностируемой трубы.
Недостатками известного устройства являются:
- повышенный износ феррозондовых датчиков, поскольку они закреплены по окружности корпуса, совпадающей с внутренней поверхностью трубы, и снижение срока службы всего устройства в целом;
- наличие в устройстве служебного модуля с прикрепленными к нему колесами для измерения длины, перемещающимися по внутренней поверхности трубы, что значительно усложняет конструкцию и увеличивает погрешность измерений;
- невысокая долговечность, сложность и большая погрешность измерения концентраций напряжений в местах прохождения этого внутритрубного диагностического снаряда при поворотах (изгибах) контролируемого трубопровода, поскольку феррозондовые датчики закреплены на наружной поверхности по окружности измерительного модуля, совпадающей с внутренней поверхностью трубы;
- поскольку все модули выполнены из отдельных корпусов, соединенных между собой карданными шарнирами, то это приводит к раздельному конструктивному выполнению измерительного и служебных модулей, что требует обеспечения высокой механической прочности соединения между собой всех узлов, при этом снижается надежность устройства в целом.
Решаемой полезной моделью задачей является улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат -повышение надежности устройства.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата устройство для диагностики трубопроводов, содержащем корпус, транспортирующий модуль с упругими манжетами, выполненными с диаметром большим внутреннего диаметра трубы, измерительный модуль, и служебные модули для обработки и сортировки первичной информации, запоминания результатов диагностики, определения координат и параметров движения устройства и энергопитания, установленные внутри корпуса и соединенные между собой, при этом измерительный модуль выполнен с возможностью измерения напряженности собственных магнитных полей посредством феррозондовых датчиков нормальной и тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля, закрепленных в части корпуса транспортирующего модуля по окружности, и многоканального преобразователя сигналов, входы которого соединены с выходами феррозондовых датчиков, а выходы - с соответствующими входами служебного модуля для обработки и сортировки первичной информации, согласно заявленной конструкции транспортирующий модуль выполнен из одного корпуса и снабжен опорными дисками, с диаметром меньшим внутреннего диаметра трубы, часть корпуса снабжена измерительным модулем измерительным диском, установленным на корпусе между опорными дисками, защитными фланцами, упругими манжетами и выполненного с диаметром меньшим диаметра опорного диска, внутри измерительного диска в радиальных отверстиях по периметру окружности установлены феррозондовые датчики, при этом многоканальный преобразователь, служебные модули для обработки и сортировки первичной информации, запоминания результатов диагностики, определения координат и параметров движения устройства, источник электропитания выполнены в виде единого электронного блока на отдельной плате, установленной внутри корпуса.
Возможен дополнительный вариант выполнения устройства, в котором целесообразно чтобы единый электронный блок выполнен из многоканального преобразователя сигналов, функциональный первый вход которого служит для подсоединения к феррозондовым датчикам и детектирования входных сигналов, а первый выход для возбуждения феррозондовых датчиков, из устройства усиления, блока аналого-цифрового преобразования, процессора, постоянного запоминающего устройства, панели управления, акселерометра, вход устройства усиления соединен со вторым выходом многоканального преобразователя сигналов, первый выход устройства усиления соединен с первым входом блока аналого-цифрового преобразования, а второй его выход - со вторым входом многоканального преобразователя сигналов, выход блока аналого-цифрового преобразования соединен с первым входом процессора, а его второй вход соединен с третьим выходом процессора, первый выход процессора соединен с третьим входом многоканального преобразователя сигналов, второй выход - с входом постоянного запоминающего устройства, второй вход процессора соединен с выходом акселерометра, третий вход процессора соединен с выходом постоянного запоминающего устройства, а вход/выход процессора соединен с выходом/входом панели управления, соответственно.
Кроме того в устройство могут быть введены проставки, выполненные съемными и расположенные между опорными дисками и упругими манжетами, а в качестве источника электропитания использовалась аккумуляторная батарея.
Указанные преимущества полезной модели поясняются вариантом ее выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Фиг. 1 изображает заявленное устройство для диагностики трубопровода, общий вид (иллюстративно);
Фиг. 2 - функциональную схему единого электронного блока;
Фиг. 3 блок-схему алгоритма работы функциональной схемы фиг. 3.
Фиг. 4 - пояснения к фиг.3.
Устройство для диагностики трубопроводов (фиг. 1) содержит корпус 1, транспортирующий модуль 2 корпуса 1 с упругими манжетами 3, выполненными с диаметром большим внутреннего диаметра трубы 4. Измерительный модуль 5, и служебные модули для обработки и сортировки первичной информации, запоминания результатов диагностики, определения координат и параметров движения устройства и энергопитания установлены внутри корпуса 1 и соединены между собой, соответственно. Измерительный модуль 5 выполнен с возможностью измерения напряженности собственных магнитных полей посредством феррозондовых датчиков 6 нормальной и тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля, закрепленных в части корпуса 1 транспортирующего модуля 2 по окружности. Входы многоканального преобразователя 7 сигналов соединены с выходами феррозондовых датчиков 6, а выходы - с соответствующими входами служебного модуля для обработки и сортировки первичной информации.
Транспортирующий модуль 2 выполнен из одного корпуса 1 и снабжен опорными дисками 8, с диаметром меньшим внутреннего диаметра трубы 4, защитными фланцами 9, соединенными съемно с корпусом 1. Часть корпуса 1 снабжена измерительным диском 10, установленным на корпусе 1 между опорными дисками 8, защитными фланцами 9, упругими манжетами 3 и выполненного с диаметром меньшим диаметра опорного диска 8. Внутри измерительного диска 10 в радиальных отверстиях по периметру окружности установлены феррозондовые датчики 6.
Многоканальный преобразователь 7, служебные модули для обработки и сортировки первичной информации, запоминания результатов диагностики, определения координат и параметров движения устройства, источник электропитания выполнены в виде единого электронного блока 11 на отдельной плате, установленной внутри корпуса 1.
Единый электронный блок 11 (фиг. 2) может быть выполнен из многоканального преобразователя 7 сигналов, функциональный первый вход которого служит для подсоединения к феррозондовым датчикам 6 и детектирования входных сигналов, а первый выход - для возбуждения феррозондовых датчиков 6, из устройства усиления 12, блока 13 аналого-цифрового преобразования (АЦП), процессора 14, постоянного запоминающего устройства 15, панели управления 16, выполненной с USB портом, акселерометра 17. Вход устройства усиления 12 соединен со вторым выходом многоканального преобразователя 7 сигналов. Первый выход устройства усиления 12 соединен с первым входом блока 13 аналого-цифрового преобразования, а второй его выход со вторым входом многоканального преобразователя 7 сигналов. Выход блока 13 аналого-цифрового преобразования соединен с первым входом процессора 14, а его второй вход соединен с третьим выходом процессора 14. Первый выход процессора 14 соединен с третьим входом многоканального преобразователя 7 сигналов, второй его выход с входом постоянного запоминающего устройства 15. Второй вход процессора 14 соединен с выходом акселерометра, третий вход процессора 14 соединен с выходом постоянного запоминающего устройства 15, а вход/выход процессора 14 соединен с выходом/входом панели управления.
В устройство (фиг. 1) могут быть введены проставки 18, выполненные съемными и расположенные между опорными дисками 8 и упругими манжетами 3 на корпусе 1.
В качестве источника электропитания целесообразно использовать аккумуляторную батарею.
Работает устройство для внутритрубной диагностики следующим образом (фиг. 1,2).
Поток транспортируемого продукта перемещает внутри трубопровода транспортирующий модуль 2 устройства посредством упругих манжет 3, как поршень, при этом упругие манжеты 3 выполняют функцию чистящих внутреннюю поверхность трубы 4. Блоки феррозондовых датчиков 6 измерительного модуля 5, выполненного в виде измерительного диска 10, в радиальных отверстиях которого установлены феррозондовые датчики 6, измеряют составляющие вектора напряженности собственного магнитного поля рассеяния (СМПР), создаваемого напряженно-деформированным состоянием трубопровода, локальными зонами концентрации напряжений (ЗКН), сварными соединениями, развивающимися повреждениями металла. Токи, наводимые в индуктивностях феррозондовых датчиков 6 передаются в многоканальный преобразователь 7.
Многоканальный преобразователь 7 сигналов и служебные модули для обработки и сортировки первичной информации, запоминания результатов диагностики, определения параметров движения устройства и энергопитания выполнены в виде единого электронного блока 11 на отдельной плате, снабженной источником питания всего электронного оборудования и установленной внутри корпуса 1.
Многоканальный преобразователь 7 сигналов (фиг. 2) обеспечивает с его первого выхода коммутацию, возбуждение феррозондовых датчиков 6, а с их выходов, передаваемых на его первый вход детектирование сигналов. Со второго выхода многоканального преобразователя 7 сигналы поступают на вход устройства усиления 12, которое служит для усиления сигналов, формируемых на его первом выходе, а также вырабатывания с его второго выхода на второй вход многоканального преобразователя 7 сигнала обратной связи к феррозондовым датчикам 6 для получения их линейной характеристики в заданном диапазоне.
С первого выхода усиленный сигнал устройством усиления 12 поступает на вход блока 13 аналого-цифрового преобразования (АЦП), а с его выхода оцифрованный сигнал поступает на первый вход процессора 14.
Одновременно на второй вход процессора 14 поступает сигнал с выхода акселерометра 17. Акселерометр 17 представляет собой монолитную микросхему трехосевого MEMS акселерометра (микроэлектромеханическая система), позволяющую определять расположение феррозондовых датчиков 6 в пространстве при вращении корпуса 1 и фиксировать ускорение движения устройства.
Обработанные процессором 14 данные от феррозондовых датчиков 6 (усиленные и оцифрованные) и от акселерометра 17 поступают со второго выхода процессора 14 в ПЗУ 15 для их запоминания. С первого выхода процессора 14 на третий вход многоканального преобразователя 7 поступают сигналы для последовательного включения феррозондовых датчиков в цепь преобразования. С третьего выхода процессора 14 на второй вход блока 13 АЦП поступают сигналы для запуска блока 13 АЦП после преобразования для каждого феррозондового датчика 6 многоканальным преобразователем 7.
Выход/вход панели управления 16 соединен с входом/выходом процессора 14 для программирования процессора 14, выполнения команд процессором 14 и сброса через него накопленных данных в ПЗУ 15, поступающих с его выхода на третий вход процессора 14, через USB порт, входящий в состав панели управления 16, и далее в центральный процессор для окончательной обработки после прохождения заявленным внутритрубным диагностическим снарядом контролируемого участка трубопровода.
Уменьшение погрешности измерений, как на прямолинейных участках контролируемого трубопровода, так и на его поворотах, достигается тем, что феррозондовые датчики 6 не контактируют с внутренней поверхностью трубы 4 (фиг. 1), но в процессе эксплуатации они все время находятся на одинаковом расстоянии от ее внутренней поверхности. Это исключает их износ, что повышает надежность устройства, также как отсутствие колес для измерения расстояния и использования для этого акселерометра 17 и выбора режима таймера с заданной дискретностью записи между точками контроля по ходу движения транспортирующего модуля 2. Расстояние между опорными дисками 8 и их диаметр выбирается исходя из диаметра трубопровода, меньшим диаметра упругих манжет 3 и внутреннего диаметра трубы 4, таким, чтобы транспортирующий модуль 2 свободно перемещался нутрии нее как на прямолинейных участка контролируемого трубопровода, так и на его поворотах. Пропадает необходимость в использовании нескольких корпусов модулей и их шарнирная связь, поскольку в соответствии со Сводом правил, Магистральные трубопроводы, СНиП III-42-80, утвержденными Приказом Федерального агентства по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству (Госстрой) от 25 декабря 2012 г. N 107/ГС: Кривые поворота (углы поворота) на линейной части трубопроводов, выполняемые с помощью гнутых отводов, проектируются с шагом 3° и в стесненных условиях - 1°. Гнутые отводы изготавливают с углами изгиба, кратными 3° или 1°.
Поскольку измерительный модуль 5, выполнен в виде измерительного диска 10 с радиальными отверстиями, в которых установлены феррозондовые датчики 6, и его диаметр выбран меньшим диметра опорного диска 8, а служебные модули выполнены в виде единого электронного блока 11 на отдельной плате, установленной внутри корпуса 1, (отсутствуют карданные шарниры), то это также повышает надежность устройства и улучшает ремонтопригодность, упрощает конструкцию. Кроме того, защитные фланцы 9 соединены съемно с корпусом 1 транспортирующего модуля 2. Это позволяет снять записанную электронным блоком 11 информацию, улучшить ремонтопригодность за счет замены упругих манжет 3 в случае их износа.
Обработка и непрерывная запись информации о распределении СМПР при движении внутритрубного диагностического снаряда внутри трубопровода осуществляется автоматически, благодаря программному продукту, который управляет процессором 14.
Блок-схема алгоритма с блоками принятия решений показана на фиг. 3. Пояснения к алгоритму на фиг. 3 представлены на фиг. 4.
Панель управления 16 с кнопками вкл/выкл и старт/стоп подает команды на процессор 14: 19 - включение/выключение источника питания, 20 - старт и остановка сканирования.
После начала сканирования, процессор 14 выполняет функции:
21 - прием и обработка данных с АЦП 13;
25 - прием данных с акселерометра 17;
22 - сохранение данных, с разбиением на файлы заданной длины в ПЗУ 15.
После выемки снаряда из камеры, осуществляется остановка процесса сканирования путем подачи команды останова 20 с панели управления 16. Далее процессор 14 осуществляет сохранение (22), имеющихся на момент останова, данных в ПЗУ 15.
Далее осуществляется процедура сброса данных 23 через процессор 14 на ПК 24, посредством подключения устройства к разъему USB-порта.
Наиболее успешно заявленное устройство промышленно применимо при обследовании технологических и магистральных трубопроводов.