Магнитная система внутритрубного дефектоскопа с поперечным намагничиванием
Полезная модель относится к области магнитной дефектоскопии, к устройствам для неразрушающего контроля трубопроводов и касается магнитной системы внутритрубного дефектоскопа.
Магнитная система создает намагничивание стенки трубы в поперечном направлении, что необходимо для выявления дефектов по полю рассеяния, возникающему в месте их расположения. Поперечное намагничивание позволяет обнаруживать и определять размеры дефектов типа трещин и рисок, ориентированных преимущественно вдоль оси трубы.
Заявленная полезная модель магнитной системы внутритрубного дефектоскопа с поперечным намагничиванием состоит из идентичных магнитных модулей поперечного намагничивания в виде двух кольцевых поясов, размещенных симметрично относительно центральной оси полого цилиндрического основания друг за другом на подпружиненных шарнирных рычагах, связанных с данным полым цилиндрическим основанием.
Отличительной особенностью заявленной магнитной системы является то, что для улучшения равномерности распределения магнитного поля в межполюсном пространстве каждого магнитного модуля размещен один или несколько дополнительных постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда. Между полюсными наконечниками и проволочными щетками в каждом магнитном модуле размещены регулировочные пластины-вкладыши. Наружная поверхность полюсных наконечников (обращенная к стенке трубы) магнитного модуля имеет угол наклона (
) между осью намагниченности основного постоянного магнита и нормалью к поверхности регулировочной пластины -вкладыша. Указанный угол () выбирается из условия наилучшей однородности напряженности магнитного поля в стенке трубы в зоне между полюсными наконечниками.
Техническая задача, решаемая заявленной магнитной системой, состоит в том, чтобы уменьшить погрешность определения размеров дефектов за счет снижения неравномерности намагниченности стенки трубы в межполюсном пространстве магнитных блоков.
Область техники.
Полезная модель относится к области магнитной дефектоскопии, к устройствам для неразрушающего контроля трубопроводов и касается магнитной системы внутритрубного дефектоскопа. Заявленная магнитная система создает намагничивание стенки трубы в поперечном направлении, что необходимо для выявления дефектов по полю рассеяния, возникающему в месте их расположения. Поперечное намагничивание позволяет обнаруживать и определять размеры дефектов типа трещин и рисок, ориентированных преимущественно вдоль оси трубы.
Уровень техники.
Известна магнитная система с поперечным намагничиванием, выполненная в соответствии с патентом RU 2303779, МПК G01N 27/83, дата публикации 27.07.2007 г.
Данная система намагничивания, включает 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 на 
d/2n, где d - диаметр кольцевого пояса системы намагничивания, n - число полюсов кольцевого пояса блока намагничивания. Данная система включает также дистанцирующие элементы в виде щеток из магнитомягкого материала, установленные на блоках поперечного намагничивания. Магнитные модули системы намагничивания выполнены в виде постоянных магнитов замкнутой формы, в отверстиях которых установлены упругие эластичные элементы с датчиками магнитного поля.
Известна магнитная система с поперечным намагничиванием, выполненная в соответствии с заявкой RU 2004125461/28, МПК G01N 27/87, дата публикации 10.02.2006 г.
Известна также магнитная система с поперечным намагничиванием фирмы «Rosen», описанная в статье «The Evolution of an In-Line Inspection Solution: AXIAL FLAW DETECTION» (журнал «Pipeline and Gas Journal», 
12, 2003 г.).
Известна магнитная система внутритрубного дефектоскопа с поперечным намагничиванием, выполненная в соответствии с патентом RU 2144182, МПК GO1N 27/87, G01N 27/83, дата публикации 10.01.2000 г.
Система включает в себя магнитные блоки поперечного намагничивания, которые обеспечивают намагничивание трубы в двух кольцевых сечениях (поясах) с угловым смещением одного пояса магнитных блоков относительно другого пояса магнитных блоков равным (
=180°/N, где N - число магнитных блоков в поясе. Намагничивание трубопровода производится последовательно, участками поверхности с попарно встречными направлениями магнитного поля в соседних магнитных блоках.
Данная магнитная система является прототипом, т.е. наиболее близкой по конструкции к заявленной полезной модели.
К недостаткам указанных магнитных систем можно отнести:
- значительную неравномерность магнитного поля, вызванную взаимным влиянием поясов с магнитными модулями, расположенными на общем цилиндрическом основании;
- радиальное расположение осей постоянных магнитов относительно поверхности трубы, что уменьшает их эффективную намагничивающую поверхность.
Неравномерность намагниченности стенки трубы приводит к тому, что магнитное поле рассеяния дефекта зависит не только от его геометрических размеров, но и от его положения в пределах магнитного модуля. Учесть эту неравномерность при последующей обработке диагностических данных сложно, поскольку она зависит от толщины стенки трубы и от магнитных свойств ее материала. Эти обстоятельства приводят к увеличению погрешности определения размеров дефектов поверхности трубы.
Сущность полезной модели.
Техническая задача, решаемая заявленной магнитной системой, состоит в том, чтобы уменьшить погрешность определения размеров дефектов за счет снижения неравномерности намагниченности стенки трубы в межполюсном пространстве магнитных модулей.
Заявленная полезная модель магнитной системы внутритрубного дефектоскопа с поперечным намагничиванием состоит из идентичных магнитных модулей (ММ) поперечного намагничивания в виде двух кольцевых поясов, размещенных симметрично относительно цилиндрического основания друг за другом на подпружиненных шарнирных рычагах, связанных с указанным цилиндрическим основанием. Соседние в поясе ММ имеют встречное направление магнитного поля в межполюсном пространстве. ММ в соседних поясах расположены с угловым смещением друг относительно друга на угол =180°/N, где N - число ММ в одном поясе.
Отличительной особенностью заявленной магнитной системы является то, что для улучшения равномерности распределения магнитного поля в межполюсном пространстве каждого ММ размещен один или несколько дополнительных постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда. В случае если число дополнительных постоянных магнитов два и более, они располагаются в межполюсном пространстве каждого ММ линейно и симметрично. Относительные размеры дополнительных постоянных магнитов ММ могут быть разными и рассчитываются исходя из критерия обеспечения минимальной неравномерности магнитного поля в межполюсном пространстве каждого ММ. Направление оси намагниченности дополнительных постоянных магнитов в соседних ММ, как первого, так и второго кольца, прямо противоположно. Дополнительные постоянные магниты служат для компенсации влияния магнитного поля соседнего пояса ММ магнитной системы и выравнивают распределение напряженности магнитного поля в намагниченной каждым отдельным магнитным модулем части трубы.
Каждый отдельный магнитный модуль, состоит из магнитопровода, двух основных постоянных магнитов, размещенных на концах магнитопровода, одного или нескольких дополнительных постоянных магнитов, размещенных на магнитопроводе симметрично и линейно между основными постоянными магнитами, двух регулировочных пластин-вкладышей, двух полюсных наконечников и двух проволочных щеток, размещенных последовательно на концах магнитопровода поверх основных постоянных магнитов.
Полюсные наконечники осуществляют концентрацию и передачу магнитного потока в стенку трубы через проволочные щетки из магнитомягкой стали. Полюсные наконечники также выполнены из магнитомягкого материала с высоким значением магнитной индукции насыщения.
Направление намагниченности стенки трубы соответствует полярности постоянных магнитов в каждом магнитном модуле и расположению его в общей сборке магнитной системы. Намагниченность дополнительных постоянных магнитов имеет направление - к стенке трубы или к оси трубы, в зависимости от расположения ММ в общей сборке магнитной системы.
Наружная поверхность полюсных наконечников (обращенная к стенке трубы) магнитного модуля имеет угол наклона () между осью намагниченности основного постоянного магнита и нормалью к поверхности регулировочной пластины-вкладыша. Указанный угол () выбирается из условия наилучшей однородности напряженности магнитного поля в стенке трубы в зоне между полюсными наконечниками ММ.
Выбор оптимального угла наклона () наружной поверхности полюсных наконечников основан на расчетах распределений напряженности магнитного поля в стенке трубы в выбранном диапазоне толщин стенки и применяемых материалов трубы. Кроме того, благодаря этому при тех же поперечных размерах ММ увеличивается эффективная площадь постоянного магнита Sэфф=S/cos() и, соответственно, поток, передающийся в стенку трубы.
Между полюсными наконечниками и проволочными щетками в каждом магнитном модуле размещены регулировочные пластины-вкладыши. Регулировочные пластины-вкладыши изготавливаются из материалов с различными магнитными свойствами, что позволяет производить настройку магнитной системы под требуемый диапазон значений толщины диагностируемых труб.
Для уменьшения погрешности определения размеров дефектов материал трубы должен быть намагничен до состояния технического насыщения, с увеличением намагниченности уменьшаются собственные шумы материала трубы и чувствительность измерительной системы дефектоскопа к материалу трубы.
Краткое описание чертежей.
На Фиг.1 представлен общий схематический вид заявленной магнитной системы.
На Фиг.2 приведено сечение А-А магнитной системы в поперечной плоскости для первого пояса магнитных модулей (в трубе).
Стрелками показано направление вектора магнитной индукции В между полюсами основных магнитов в каждом магнитном модуле первого кольцевого пояса ММ.
На фиг.3 приведено сечение Б-Б магнитной системы в поперечной плоскости для второго кольцевого пояса магнитных модулей (в трубе).
Стрелками показано направление вектора магнитной индукции В между полюсами основных магнитов в каждом магнитном модуле второго кольцевого пояса ММ.
Угол «» - угол между осью намагниченности основного постоянного магнита и нормалью к поверхности регулировочной пластины-вкладыша.
На фиг.4 приведено сечение отдельного магнитного модуля в поперечной плоскости. Стрелками показано направление осей намагниченности основных и дополнительных постоянных магнитов.
На фиг.5 приведено продольное сечение (В-В) отдельного магнитного модуля (вариант с тремя дополнительными постоянными магнитами в межполюсном пространстве ММ).
На фиг.6 приведено сечение (Г-Г) отдельного магнитного модуля (вариант с тремя дополнительными постоянными магнитами в межполюсном пространстве ММ).
На фиг.7 приведены графики зависимости напряженности магнитного поля в межполюсном пространстве ММ без применения дополнительных постоянных магнитов (сплошная линия) и с применением дополнительных постоянных магнитов (пунктирная кривая).
Вариант осуществления полезной модели.
В качестве варианта осуществления заявленной полезной модели описывается магнитная система внутритрубного дефектоскопа с поперечным намагничиванием, включающая в себя:
1 - магнитопровод,
2 - основные постоянные магниты,
3 - полюсные наконечники,
4 - проволочные щетки, выполненные из упругих проволок магнитомягкого материала,
5 - подпружиненные шарнирные рычаги (пружины не показаны),
6 - цилиндрическое основание из неферромагнитного материала,
7 - дополнительные постоянные магниты,
8 - регулировочные пластины-вкладыши,
9 - диагностируемая труба,
10 - отдельный магнитный модуль,
11 - угол «» (Фиг.3) между осью намагниченности основного постоянного магнита 2 и нормалью к поверхности регулировочной пластины-вкладыша 8.
Опытный образец магнитной системы выполнен для дефектоскопа, предназначенного для диагностики трубопроводов типоразмера 1220 мм в диапазоне толщины стенки 11 мм-30 мм, при наличии сужений диаметра трубы до 85% и поворотов трубопровода с радиусом величиной до 3-х внешних диаметров трубы. Неравномерность поля намагничивания стенки трубы магнитной системой с использованием трех дополнительных постоянных магнитов в межполюсном пространстве ММ получена не хуже ±10%. Величина напряженности поля намагничивания в стенке трубы толщиной 30 мм составляет 5.0 кА/м. При такой напряженности стенки труб из всех известных материалов находятся в состоянии насыщения с величиной индукции около 1.7 Тл.
Известно, что остаточная индукция современных магнитов составляет не более 1.3 Тл. Для того чтобы создать магнитный поток, который обеспечивал бы насыщение стенки трубы, необходимо, чтобы площадь поверхности магнита, прилегающая к проволочным щеткам, была в 2-3 раза больше, чем сечение намагничиваемого участка трубы. Величина площади этой поверхности ограничена: продольные размеры магнитов ограничиваются требованиями по прохождению поворотов, а поперечные - прохождением сужений трубопровода. Для увеличения полезной площади каждого основного постоянного магнита его ось намагничивания располагается под углом в диапазоне 20-30° к радиусу поперечного сечения трубы, магнитный поток концентрируется в стенку трубы полюсными наконечниками трапецеидального сечения.
При расчете магнитной системы используется формула (1), определяющая связь векторов напряженности магнитного поля Н с намагниченностью М:
где r - расстояние от точки наблюдения до текущей точки интегрирования, VM, SM - соответственно объем и поверхность всех ферромагнитных элементов системы; n -внешняя нормаль к поверхности SM в точке интегрирования.
Расчет магнитного поля производится методом интегральных уравнений с использованием программного комплекса EasyMag3D (разработка ООО НПП «ЭНЕРГОМАГ»). В результате расчета определяется индукция магнитного поля в элементах магнитной системы, в том числе в стенке трубы.
Размеры и параметры элементов магнитной системы: коэффициент заполнения щеток, толщина вкладышей, количество и размеры дополнительных магнитов подбираются таким образом, чтобы получить требуемые характеристики магнитной системы по равномерности и величине напряженности поля намагничивания в стенке трубы. При этом используется специальная программа магнитного синтеза (разработка ООО НПП «ЭНЕРГОМАГ»).
Для получения требуемых характеристик по равномерности поля намагничивания применяются сменные элементы:
- для диапазона толщины стенки трубы 11-20 мм используются проволочные щетки с коэффициентом заполнения 0.33 и неферромагнитные вкладыши из стали 12Х18Н10Т толщиной 6.3 мм.
- для диапазона толщины стенки трубы 21-30 мм используются проволочные щетки с коэффициентом заполнения 0.44, и неферромагнитные вкладыши из стали 12Х18Н10Т толщиной 3.0 мм.
С целью предотвращения насыщения магнитопровода и полюсных наконечников эти элементы магнитной системы изготавливаются из стали 27КХ с повышенным уровнем индукции насыщения.
Щетки выполнены из пружинистой проволоки марки стали 60С2А или 65Г, сочетающей хорошие свойства по упругости и имеющие достаточную величину индукции насыщения.
Постоянные магниты могут быть использованы марки N42-N48, однако, если при эксплуатации дефектоскопов используется очистка перегретым паром, необходимо применять марку N42SH, выдерживающую соответствующий нагрев.
Магнитная система в составе дефектоскопа прошла испытания на полигоне ОАО «Центр технической диагностики» (Протокол лабораторных испытаний магнитной системы для секции поперечного намагничивания с целью модернизации дефектоскопа магнитного 48-МСК), где были подтверждены расчетные характеристики полей намагничивания магнитной системы, выполненной в соответствии с описанием полезной модели.
Неравномерность поля намагничивания полезной модели магнитной системы оказалась не хуже ±10%, а напряженность поля намагничивания в стенке трубы не менее 23 кА/м для трубы с толщиной стенки 15 мм. При толщине стенки трубопровода 30 мм напряженность поля намагничивания в стенке трубы составляла не менее 5 кА/м.
В настоящее время получены данные об уменьшения погрешности определения размеров дефектов (типа продольных трещин) поверхности трубопровода на 20-30% при использовании заявленной магнитной системы в составе магнитного дефектоскопа при достигнутой неравномерности магнитного поля ±10% в межполюсном пространстве магнитных модулей.
1. Магнитная система внутритрубного дефектоскопа с поперечным намагничиванием, включающая два кольцевых пояса отдельных магнитных модулей поперечного намагничивания, каждый из которых снабжен магнитопроводом, двумя основными постоянными магнитами, полюсными наконечниками и проволочными щетками, с попарно встречными направлениями магнитного поля соседних магнитных модулей, размещенных симметрично относительно цилиндрического основания, связанных с ним посредством подпружиненных шарнирных рычагов и расположенных с угловым смещением одного кольцевого пояса магнитных модулей относительно другого на угол =180°/N, где N - число магнитных модулей в одном кольцевом поясе и расположением одного кольцевого пояса относительно другого на фиксированном расстоянии по оси цилиндрического основания, отличающаяся тем, что один или более дополнительные постоянные магниты в форме прямоугольных параллелепипедов размещены симметрично и линейно в каждом магнитном модуле на его магнитопроводе между основными постоянными магнитами, причем полярность осей намагниченности дополнительных постоянных магнитов в соседних магнитных модулях противоположна, направление оси намагниченности дополнительных постоянных магнитов в каждом из магнитных модулей радиальное относительно поверхности трубы, между полюсными наконечниками и проволочными щетками размещены регулировочные пластины-вкладыши из материала различной магнитной проводимости, а нормаль к поверхности регулировочной пластины-вкладыша, на которой размещена проволочная щетка, составляет острый угол (11) с осью намагниченности соответствующего основного постоянного магнита.
2. Магнитная система внутритрубного дефектоскопа с поперечным намагничиванием по п.1, отличающаяся тем, что каждый отдельный магнитный модуль включает магнитопровод, на концах которого симметрично размещены основные постоянные магниты, причем над каждым из постоянных магнитов последовательно размещены полюсный наконечник, регулировочная пластина-вкладыш и проволочная щетка.
3. Магнитная система внутритрубного дефектоскопа с поперечным намагничиванием по п.1, отличающаяся тем, что полюсные наконечники в поперечном сечении каждого магнитного модуля размещены симметрично, причем нормаль к поверхности регулировочной пластины-вкладыша, на которой размещена проволочная щетка, составляет острый угол в диапазоне от 20 до 30° с осью намагниченности соответствующего основного постоянного магнита.
4. Магнитная система внутритрубного дефектоскопа с поперечным намагничиванием по п.1, отличающаяся тем, что полое цилиндрическое основание выполнено из неферромагнитного материала, полюсные наконечники выполнены из магнитомягкого материала с высоким значением магнитной индукции насыщения, а проволочные щетки из магнитомягкой стали.
