Магнитный дефектоскоп для наружного контроля труб большого диаметра

Полезная модель относится к области магнитного неразрушающего контроля труб большого диаметра, бывших в эксплуатации в составе магистрального трубопровода для выявления стресс-коррозионных трещин.
Замена участка магистрального трубопровода новыми трубами операция довольно дорогостоящая, если речь идет о сотнях километров. В связи с этим прибегают к ремонту труб, бывших в эксплуатации на специализированных базах, где их предварительно подвергают неразрушающему контролю в основном для выявления стресс-коррозионных трещин, которые являются наиболее опасным видом дефектов. В настоящее время существует два способа магнитного контроля труб большого диаметра. Это прогон внутри трубы снаряда-дефектоскопа с намагничивающим устройством и системой магниточувствительных датчиков, а также накладные с внешней поверхности трубы магнитные сканирующие устройства, передвигаемые вручную или электроприводом. Поскольку стресс-коррозионные трещины располагаются только на внешней поверхности трубы, то для снаряда-дефектоскопа они являются внутренними, и магнитное поле рассеивания, которое фиксируется датчиками, значительно ослабляется толщиной стенки грубы. Это обстоятельство снижает чувствительность дефектоскопа. Для накладных внешних магнитных сканирующих устройств характерна очень малая зона охвата поверхности трубы магниточувствительными датчиками. В связи с этим требуется очень большое время контроля одной трубы, что неприемлемо для трубной базы, где требуется высокая производительность контроля до нескольких сотен труб в сутки. Поэтому разработка дефектоскопов для наружного контроля труб большого диаметра, обеспечивающих высокую чувствительность и скорость обнаружения стресс-коррозионных трещин, является важной технической проблемой.
Известен трубопроводный дефектоскоп для выявления продольных дефектов путем фиксации потоков рассеяния при циркулярном намагничивании [Патент США №3539915]. Этот дефектоскоп передвигается внутри трубы, намагничивает ее с помощью пропускания тока через систему проводящих щеток и включает устройство для создания циркулярного остаточного магнитного потока в стенке трубы и магниточувствительные датчики, вращающиеся вдоль внутренней поверхности стенки грубы для обнаружения продольных дефектов и дефектов, вызванных коррозионным растрескиванием на поверхности трубы. Циркулярное намагничивание осуществляется путем включения импульсов тока, поступающих от специального блока питания в продольно расположенные на внутренней поверхности трубы отдельные, перекрывающие друг друга секции, с использованием проводящих ток щеток или скребков.
Это устройство при его использовании не решает проблему обеспечения необходимой чувствительности и скорости определения дефектов. При работе устройства происходит ослабление сигнала от стресс-коррозионной трещины, находящейся с противоположной стороны поверхности относительно магниточувствительных датчиков, толщиной металла стенки трубы, что снижает чувствительность и увеличивает вероятность пропуска дефекта на фоне шумов. Кроме того, недостатком данного устройства является искрение контактов при недостаточно чистой поверхности трубы, что приводит к поломке дефектоскопа и невозможности выявления дефектов. Также этот дефектоскоп не позволяет обнаруживать дефекты внутренней поверхности, поскольку напряженность магнитого поля на внутренней поверхности, согласно теореме о циркуляции вектора магнитной индукции, равна нулю.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является «Автономный магнитный дефектоскоп наружного контроля трубопроводов» [Патент РФ №75750].
Магнитный дефектоскоп для наружного контроля труб большого диаметра содержит магнитный модуль, состоящий из плиты и укрепленных на ней трех магнитных блоков. Каждый магнитный блок содержит линейку магниточувствительных датчиков Холла для измерения нормальной составляющей напряженности магнитного поля рассеивания от дефектов. Корпус магнитного блока выполнен в виде герметичной коробки из нержавеющей стали, в котором размещены магнитная система из постоянных магнитов и магниточувствительные датчики. Сила притяжения магнитного модуля к трубе составляет не менее 5000 Н. Зазор между поверхностью трубы и магнитными блоками устанавливается с помощью гаек и винтов. В движение дефектоскоп приводится с помощью электродвигателя. Электродвигатель через цепную передачу связан с осями колес через шестерни (или шкивы) и цепные или ременно-клиновые ленты. Предохранительные ролики установлены на каждом модуле. В случае изменения кривизны трубы или ее значительной деформации ролики предотвращают уменьшение зазора между модулем и поверхностью трубы до недопустимой величины. На корпусе дефектоскопа размещены промышленный компьютер, устройство беспроводной связи, блок аккумуляторов и аналого-цифровой преобразователь.
При использовании этого устройства возникает техническая проблема, обусловленная применением магнитной системы из постоянных магнитов (магнитных блоков). Магнитные блоки, в которых размещены магнитная система и магниточувствительные датчики, сильно примагничиваются к трубе во время контроля, для перемещения их по трубе требуется применение мощного электродвигателя и, следовательно, значительное потребление электроэнергии. Из-за небольших размеров модуля и значительной силы притяжения к поверхности трубы контроль поверхности труб большого диаметра занимает довольно много времени. При движении дефектоскопа с магнитной системой из постоянных магнитов происходит периодическое перемагничивание участков трубы, которые наводят в зоне расположения магниточувствительных датчиков паразитные магнитные поля. Это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум и, соответственно, к снижению чувствительности дефектоскопа.
Техническая проблема решается достижением технического результата, заключающегося в повышении чувствительности и скорости обнаружения стресс-коррозионных трещин, которые являются основной причиной разрушения магистральных трубопроводов, за счет конструктивного выполнения магнитной системы дефектоскопа, обеспечивающей равномерное намагничивание зоны контроля, и его магниточувствительных датчиков, обеспечивающих повышение чувствительности контроля, а также и его скорости за счет снижения веса измерительных кассет.
Для решения технической проблемы в магнитном дефектоскопе для наружного контроля труб большого диаметра, включающем магнитную систему, магниточувствительные датчики для измерения нормальной составляющей напряженности магнитного поля рассеивания от дефектов, транспортную систему на роликах, систему обработки данных, включающую аналого-цифровой преобразователь и промышленный компьютер, согласно полезной модели, магнитная система выполнена в виде П-образной токопроводящей шины, магниточувствительные датчики выполнены в виде линеек из тонкопленочных магниторезисторов, расположенных в двух измерительных кассетах, каждая из которых изготовлена из легкого сплава на основе алюминия, транспортная система выполнена в виде транспортной платформы на роликах поступательного движения и роликов вращения трубы, установленных на ней, система обработки данных снабжена блоком фильтра очистки от помех, к которому подключены измерительные кассеты, и соединенным с аналого-цифровым преобразователем.
Физическая сущность измерительных процессов заявляемого устройства заключается в том, что магнитная система в виде П-образного токопровода обеспечивает равномерное намагничивание сегмента трубы вдоль всей ее длины. В данном случае роль сердечника намагничивающего устройства выполняет сама труба, а роль обмотки - П-образная токопроводящая шина. Поскольку диаметр труб не менее 1400 мм, магнитные поля прямого и обратного токопроводов П-образной шины, расположенных вблизи противоположных внутренних стенок, слабо влияют друг на друга. Форма силовых линий вокруг проводника прямоугольного сечения с током, находящегося вблизи внутренней стенки трубы, близка к геометрической форме поверхности трубы. Поэтому намагничивание трубы происходит с минимальным размагничивающим фактором. Это подтверждается компьютерным моделированием в системе ELCUT. Неоднородность магнитного поля на участке контроля 100 мм вдоль периметра не превышает 2,5%. А однородность поля вдоль трубы обеспечивается протяженностью шины, которая не менее ее длины. В данном случае можно произвести контроль, перемещая кассету с магниточувствительными датчиками вдоль сегмента трубы при ее неподвижном положении. При этом в процессе контроля не происходит перемагничивания участков трубы и возникновения паразитного магнитного поля, которое снижает отношение сигнал/шум и уменьшает чувствительность как в наиболее близком решении [Патент РФ №75750].
Выполнение магниточувствительных датчиков в виде линеек из тонкопленочных магниторезисторов позволило еще дополнительно повысить чувствительность, поскольку крутизна характеристики В/(А/м) на порядок превышает аналогичную у датчиков Холла [Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. T. 1. - М.: ДМК Пресс, 2001. - 544 с.: ил]. Изготовление кассет из легкого сплава алюминия обеспечило их перемещение по поверхности трубы с большой скоростью, что значительно повышает скорость контроля.
Выполнение транспортной системы в виде транспортной платформы на роликах поступательного движения и роликов вращения трубы, установленных на ней, обеспечило сканирование кассет с магниточувствительными датчиками всего периметра трубы и быстрый переход к контролю следующей.
Снабжение системы обработки данных блоком фильтра очистки от помех с полосой пропускания, которая согласована со скоростью передвижения кассет с магниточувствительными датчиками, позволило еще повысить отношение сигнал/шум и увеличить чувствительность.
Таким образом, техническая проблема устраняется достижением в заявляемом изобретении технического результата, заключающегося в обеспечении высокой чувствительности к выявлению стресс-коррозионных трещин, а также высокой скорости контроля труб большого диаметра для нефте-газопроводов поскольку поле, создаваемое П-образной токопроводящей шиной, надежно промагничивает ее по толщине.
Заявляемое устройство позволяет произвести контроль всей поверхности трубы с высокой скоростью, а применение магнитной системы в виде П-образной токопроводящей шины обеспечивает необходимую напряженность магнитного поля (не менее 2000 А/м) для выявления стресс-коррозионных трещин с малым раскрытием.
На фиг. 1 представлена схема магнитного дефектоскопа для наружного контроля труб большого диаметра;
на фиг. 2 - расположение магниточувствительных датчиков в измерительных кассетах и П-образной токопроводящей шины внутри трубы.
Магнитный дефектоскоп для наружного контроля труб большого диаметра. (фиг. 1, фиг. 2) содержит П-образную токопроводящую шину 1, выполненную из меди, которая подсоединена с одной стороны обеими концами к источнику 2 постоянного тока (ZP-3000 DUO), две измерительные кассеты 3 с магниточувствительными датчиками 4 (разработка ИФМ УрО РАН), транспортную платформу 5 на роликах 6 для подачи трубы в зону контроля и ролики 7 вращения трубы. Кассеты 3 с магниточувствительными датчиками 4 электрически подключены к блоку 8 фильтра очистки от помех (полоса пропускания 1-4 кГц) и аналого-цифровому преобразователю 9 (Е14-440), который, в свою очередь, подключен к промышленному компьютеру 10 (IPC-510-SYS1).
Устройство работает следующим образом: труба подается в зону контроля с помощью горизонтального перемещения транспортной платформы 5 на роликах 6 и наезжает на П-образную токопроводящую шину 1, в которую подается постоянный ток от источника 2, обеспечивающий намагничивание диаметрально противоположных участков тела трубы до насыщения, над которыми располагают с внешней стороны трубы две измерительные кассеты 3, которые передвигаются вдоль трубы по горизонтали за счет внешнего портального механизма (на чертеже не показан). После того как кассеты 3 прошли с двух сторон трубы всю ее длину, труба поворачивается ровно на ширину проконтролированного участка с помощью роликов 7 вращения трубы за счет подсоединенного к ним внешнего электропривода с редуктором (на чертеже не показан), на которых она лежит. И далее такая процедура повторяется до тех пор, пока не будет проконтролирована вся поверхность трубы. В измерительных кассетах 3 располагаются магниточувствительные датчики 4, которые считывают магнитные поля рассеивания от дефектов трубы во время контроля, далее все сигналы проходят через блок 8 фильтра очистки от помех с аналого-цифровым преобразователем 9, поступая на промышленный компьютер 10. Промышленным компьютером 10 формируется файл данных, в котором содержится порядковый номер трубы, время контроля, координаты расположения стресс-коррозионных трещин, степень их опасности и решение о ремонтопригодности трубы или отнесении ее в брак.