Многосекционный внутритрубный снаряд для диагностики напряженно-деформированного состояния трубопровода
Полезная модель относится к устройствам для наблюдения за состоянием трубопроводов большой протяженности и предназначена для оперативной диагностики механических напряжений подземных магистральных и межпромысловых нефте- и газопроводов. Полезная модель направлена на снижение энергопотребления. Указанный технический результат достигается тем, что многосекционный внутритрубный снаряд для диагностики напряженно-деформированного состояния трубопровода, содержит последовательно сочлененные секции, одна из которых является измерительной секцией, каждая секция содержит цилиндрический корпус, на торцах которого расположены опорно-двигательные элементы, измерительная секция содержит намагничивающую систему, обеспечивающую намагничивание стенок трубопровода слабым магнитным полем и выполненную в виде установленных на корпусе двух намагничивающих поясов из радиально намагниченных постоянных магнитов, на полюсах которых закреплены щетки из магнитомягкого материала, причем направление намагниченности в намагничивающих поясах противоположное и измерительную систему, установленную между намагничивающими поясами и выполненную в виде подвижного измерительного пояса из датчиков магнитного поля, подпружиненных к стенке трубы, которые измеряют тангенциальную составляющую магнитного поля НХ вдоль образующей трубы. Дополнительно в устройство введена подготовительная секция, содержащая намагничивающую систему, которая намагничивает стенки трубопровода до насыщения, причем направление намагничивания противоположное намагничиванию в измерительной секции. 2 з.п. 5 ил.
Полезная модель относится к устройствам для наблюдения за состоянием трубопроводов большой протяженности, путем пропуска внутри обследуемого трубопровода диагностического снаряда, записи в бортовом компьютере данных и последующего определения параметров состояния трубопровода с использованием математических методов обработки накопленных данных. Полезная модель основана на магнитометрических методах неразрушающего контроля ферромагнитных материалов, испытывающих в процессе эксплуатации статические и динамические механические напряжения и может быть использована для оперативной диагностики механических напряжений подземных магистральных и межпромысловых нефте- и газопроводов.
Основными источниками повреждения трубопроводов, в частности, предназначенных для транспортирования и хранения нефте-, газо- и других экологически опасных продуктов, являются зарождающиеся дефекты и зоны концентрации напряжений, в которых наиболее интенсивно протекают неблагоприятные для сооружения процессы (развитие нарушений сплошности, коррозия, пластические деформации и др.).
Напряжения в трубопроводах являются результатом различных причин, включая сезонные изменения температуры, приводящие к сдвигу грунта, изменения давления газа, содержащегося внутри трубопровода, Кроме того, могут иметься остаточные напряжения, являющиеся результатом нарушения технологии изготовления труб, сварки труб и любого изгиба трубы в процессе укладки. Эти напряжения типично проявляется в сокращении/расширении локальных областей стенки трубопровода и имеют тенденцию далее концентрировать и увеличивать напряжение, таким образом ускоряя разрушение.
Традиционные методы неразрушающего контроля не позволяют осуществлять раннюю диагностику и направлены на поиск развитых дефектов, что не всегда достаточно для обеспечения надежности диагностируемых объектов. Для своевременного выявления участков металлических конструкций, наиболее предрасположенных к повреждениям, необходимо знать их фактическое напряженно-деформированное состояние. Раннее обнаружение и устранение зарождающихся напряжений могут предотвратить дальнейшее разрушение трубопровода.
Известны многосекционные внутритрубные снаряды для определения напряженно-деформированного состояния трубопровода (патенты US 
5532587, oп. 02.07.1996 г., US 68854336, oп. 15.02.2005 г.). Каждая из сочлененных секций содержит опорно-двигательные средства для центровки и перемещения внутритрубного снаряда. Снаряд содержит как минимум одну измерительную секцию.
В основе устройств лежит физическая зависимость изменения магнитных свойств материалов под действием механических усилий. Устройства используют принцип локального намагничивания участка трубопровода, измерения и регистрации магнитного поля с последующей оценкой механических напряжений в области участка намагничивания по экспериментальной зависимости.
Измерительная секция содержит измерительный пояс из подпружиненных к стенкам трубы пробников (преобразователей). Каждый пробник содержит П-образный магнитопровод с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой. Полюса магнитопровода направлены к стенкам трубы, а измерительная обмотка располагается между полюсами, в зоне намагничивания и в непосредственной близости к стенке трубы. Форма магнитопроводов может быть различной, включая крестообразную, кроме того они могут располагаться под разными углами к направляющей трубы.
Главным недостатком устройств является большое потребление электроэнергии, используемое для питания обмоток возбуждения магнитопроводов для намагничивания участков трубы и как следствие необходимость использования дополнительной секции, содержащей аккумуляторные батареи.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к заявляемому устройству является многосекционный аппарат для измерения магнитный потоков рассеивания для анализа аномалий в стенках трубы (патент США 5864232, оп. 26.01.1999 г.).
Аппарат конструктивно выполнен в виде последовательно сочлененных секций, каждая из которых представляет собой внутритрубный снаряд. Каждая секция имеет цилиндрический корпус, на концах которого расположены опорно-двигательные элементы, обеспечивающие центровку аппарата и его перемещение. Измерительная секция содержит намагничивающую систему и измерительную систему. Намагничивающая система содержит два намагничивающих пояса, каждый из которых содержит пояс из постоянных магнитов, на концах которых установлены щетки из магнитомягкого материала. Между поясами намагничивающей системы расположены измерительная система, содержащая датчики магнитного поля, подпружиненные к стенкам трубы.
Преимуществом данного аппарата является то, что намагничивающая система выполнена из постоянных магнитов, которые не требуют электроэнергии для намагничивания стенок трубопровода.
Недостатком данного аппарата является то, что намагничивающая система аппарата намагничивает стенки трубопровода до насыщения. Измерительная система при работе в таких условиях не способна различать напряженно-деформированное состояние стенок трубопровода.
В основу предлагаемой полезной модели положена задача снижения энергопотребления снаряда.
Поставленная задача решается тем, что многосекционный внутритрубный снаряд для диагностики напряженно-деформированного состояния трубопровода, содержит последовательно сочлененные секции, одна из которых является измерительной секцией, каждая секция содержит цилиндрический корпус, на торцах которого расположены опорно-двигательные элементы, измерительная секция содержит намагничивающую систему, обеспечивающую намагничивание стенок трубопровода слабым магнитным полем и выполненную в виде установленных на корпусе двух намагничивающих поясов из радиально намагниченных постоянных магнитов, на полюсах которых закреплены щетки из магнитомягкого материала, причем направление намагниченности в намагничивающих поясах противоположное и измерительную систему, установленную между намагничивающими поясами и выполненную в виде подвижного измерительного пояса из датчиков магнитного поля, подпружиненных к стенке трубы, которые измеряют тангенциальную составляющую магнитного поля НХ вдоль образующей трубы. Дополнительно в устройство введена подготовительная секция, содержащая намагничивающую систему, которая намагничивает стенки трубопровода до насыщения, причем направление намагничивания противоположное намагничиванию в измерительной секции.
Намагничивающая система подготовительной секции выполнена в виде установленных на корпусе двух намагничивающих поясов из радиально намагниченных постоянных магнитов, на полюсах которых закреплены щетки из магнитомягкого материала, причем направление намагниченности в намагничивающих поясах противоположное. Т.е. конструктивное выполнение намагничивающей системы подготовительной секции идентично намагничивающей системе измерительной секции.
В основе работы полезной модели лежит принцип, основанный на свойстве ферромагнитных материалов изменять магнитное состояние под влиянием механических напряжений. Наиболее сильная зависимость магнитных параметров стали от напряженно-деформированного состояния существуют в слабых магнитных полях, т.е. в полях в которых существуют магнитные домены и соответственно происходят необратимые процессы.
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 устройства, запассованного в трубопровод;
на фиг.4 дано сечение верхней части устройства, запассованного в трубопровод, с указанием направления потоков магнитного поля в стенках трубы;
на фиг.5 дана электрическая блок схема устройства.
Многосекционное внутритрубное устройство для диагностики напряженно-деформированного состояния трубопровода содержит подготовительную секцию 1 и измерительную секцию 2, сочлененные между собой стыковочным устройством 3, причем каждая из секций представляет собой внутритрубный снаряд. Подготовительная секция 1 содержит цилиндрический корпус (ярмо) 4, выполненный из магнитомягкого материала (фиг.1, 2, 3). На торцевых гранях корпуса 4 установлены опорно-двигательные элементы 5, которые обеспечивают центровку устройства в трубопроводе и несут на себе вес устройства. Перепад давления, создаваемый плотным прилеганием опорно-двигательных элементов 5 к стенкам 6 трубопровода, обеспечивает перемещение устройства в обследуемом трубопроводе потоком транспортируемого по нему продукта. Опорно-двигательные элементы 5 могут быть выполнены в виде манжет, изготовленных из износостойкого полиуретана большой прочности, либо в виде дисков, также изготовленных из полиуретана. В носовой части подготовительной секции 1 крепится скоба 7 и обтекатель 8. Скоба 7 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 4 выполнены средства для регулирования скорости движения снаряда в виде регулируемого байпасного патрубка для перепуска транспортируемого по трубопроводу продукта (на чертежах не показаны).
Намагничивающая система подготовительной секции 1 состоит из ярма 4 и двух намагничивающих поясов, каждый из которых содержит пояс постоянных магнитов, соответственно 9 и 10 и пояс гибких магнитных щеток, соответственно 11 и 12. Направление намагничивания в постоянных магнитах 9 и 10 разнонаправленное.
Измерительная секция 2 содержит цилиндрический корпус (ярмо) 13, выполненный из магнитомягкого материала (фиг.1, 2, 3). На торцевых гранях корпуса 13 установлены опорно-двигательные элементы 14, которые обеспечивают центровку устройства в трубопроводе и несут на себе вес устройства. Перепад давления, создаваемый плотным прилеганием опорно-двигательных элементов 14 к стенкам 6 трубопровода, обеспечивает перемещение устройства в обследуемом трубопроводе потоком транспортируемого по нему продукта. Опорно-двигательные элементы 14 могут быть выполнены в виде манжет, изготовленных из износостойкого полиуретана большой прочности, либо в виде дисков, также изготовленных из полиуретана. В носовой части подготовительного модуля крепится обтекатель 15. Внутри корпуса 13 выполнены средства для регулирования скорости движения снаряда в виде регулируемого байпасного патрубка для перепуска транспортируемого по трубопроводу продукта (на чертежах не показаны).
Намагничивающая система измерительной секции 2 состоит из ярма 13 и двух намагничивающих поясов, каждый из которых содержит пояс постоянных магнитов, соответственно 16 и 17 и пояс гибких магнитных щеток, соответственно 18 и 19. Направление намагничивания в постоянных магнитах 16 и 17 разнонаправленное, причем направление магнитного потока в стенке трубы должно совпадать с направлением магнитного потока создаваемого намагничивающей системой подготовительной секции 1.
Между намагничивающими поясами расположена измерительная система, содержащая измеряющие компоненты магнитного поля датчики 20, образующие измерительный пояс (фиг.5). Датчики 20 магнитного поля измерительного пояса прижимаются к внутренней поверхности трубопровода 6 с помощью упругих элементов ("ласт") 21.
На концах опорно-двигательных элементов 14 могут быть установлены ролики 22 и датчики пройденного пути - одометры 23.
Внутри корпуса 13 (фиг.4) расположены блок питания 24 и бортовой компьютер 25. Блок 24 питания содержит батарейную секцию 26, модуль 27 преобразования напряжения батареи в напряжение, необходимое для питания электронных модулей, искрозащитный модуль 28 и модуль распределения питания 29. Электрический выход батарейной секции 26 подключен к входу модуля преобразования напряжения 27, выходы которого подключены через искрозащитный модуль 28 к модулю распределения питания 29. Выходы модуля распределения питания 29 подключены ко всем электронным модулям и элементам устройства. Бортовой компьютер 25 содержит процессор 30, блок 31 аналого-цифрового преобразования данных измерений и запоминающее устройство 32 на базе твердотельной интегральной микросхемы.
Устройство содержит также дополнительные датчики. Датчик 33 внешнего давления, датчик 34 углового поворота и датчик 35 температуры. Информационные выходы датчиков 20, одометра 23, датчика 33 внешнего давления, датчика 34 углового поворота и датчика 35 температуры подключены к соответствующим входам блока 31 аналого-цифрового преобразования.
Через шлюзовую камеру устройство - многосекционный внутритрубный снаряд вводится в начало контролируемого участка трубопровода 6. Причем на период контроля трубопровода 6 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 вдоль трубопровода каждый из участков стенки в поперечном сечении трубы сначала подвергается воздействию намагничивающей системы подготовительной секции 1, а затем намагничивающей системы измерительной секции 2, причем в межсекционном интервале намагничивающее воздействие отсутствует.
Подготовительная секция 1 намагничивает участок стенки трубы до насыщения (зона А, фиг.4). Затем этот участок перемагничивается в противоположном направлении (зона В) и после удаления подготовительной секции 1 участок размагничивается до остаточной намагниченности (зона С). Затем этот участок стенки трубы намагничивается слабым полем намагничивающей системы измерительной секции 2 (зона D).
Таким образом, в зоне D магнитные характеристики обуславливаются как параметрами магнитной системы измерительной секции 2, так и остаточной намагниченностью. Этим создаются между намагничивающими поясами измерительной секции оптимальные условия для измерения характеристик магнитного поля, которые содержат информацию о напряженно-деформированном состоянии трубопровода.
Датчики 20 магнитного поля измеряют тангенциальную составляющую магнитного поля Нх вдоль направляющей трубы. Амплитуда измеренного поля не более четырех, пяти коэрцитивных сил исследуемых трубных сталей, т.е. это слабые магнитные поля не более 70 А/см.
Сигналы с датчиков 20 магнитного поля поступают в бортовой компьютер 25. Затем, данные измерений обрабатываются и записываются в запоминающее 32 устройство бортового компьютера 25.
По завершении контроля заданного участка трубопровода 6 устройство извлекают из трубопровода 6 и накопленные в процессе диагностики данные переносят на стационарный компьютер.
Последующий анализ записанных данных позволяет построить топографическую карту напряжений трубопровода и сделать вывод о наличии участков в критическом напряженно-деформированном состоянии.
1. Многосекционный внутритрубный снаряд для диагностики напряженно-деформированного состояния трубопровода, содержащий последовательно сочлененные секции, одна из которых является измерительной секцией, каждая секция содержит цилиндрический корпус, на торцах которого расположены опорно-двигательные элементы, измерительная секция содержит намагничивающую систему, обеспечивающую намагничивание стенок трубопровода слабым магнитным полем и выполненную в виде установленных на корпусе двух намагничивающих поясов из радиально намагниченных постоянных магнитов, на полюсах которых закреплены щетки из магнитомягкого материала, причем направление намагниченности в намагничивающих поясах противоположное, и измерительную систему, установленную между намагничивающими поясами и выполненную в виде подвижного измерительного пояса из датчиков магнитного поля, подпружиненных к стенке трубы, которые измеряют тангенциальную составляющую магнитного поля НX вдоль образующей трубы, отличающийся тем, что введена подготовительная секция, содержащая намагничивающую систему, которая намагничивает стенки трубопровода до насыщения, причем направление намагничивания противоположное намагничиванию в измерительной секции.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что намагничивающая система подготовительной секции выполнена в виде установленных на корпусе двух намагничивающих поясов из радиально намагниченных постоянных магнитов, на полюсах которых закреплены щетки из магнитомягкого материала, причем направление намагниченности в намагничивающих поясах противоположное.
