Средства контроля труб и подвижное устройство для их использования
Полезная модель относится к устройствам для диагностики состояния материалов и конструкций и может быть использована при обследовании технологических и магистральных трубопроводов.
Предложены средства контроля труб, устанавливаемые с возможностью вращения на средствах перемещения. Средства перемещения выполнены с возможностью перемещения в трубе и содержат основание, на котором установлен приемно-излучательный акустический блок, содержащий средства намагничивания области стенки трубы и преобразователь электромагнитного поля и выполненный с возможностью возбуждения в трубе поперечных ультразвуковых волн с круговой поляризацией и их приема. Средства контроля труб дополнительно содержат по меньшей мере одно устройство взрывозащиты, что обеспечивает возможность их практического использования во взрывоопасных средах.
Также предложено подвижное устройство для контроля труб, в котором использованы вышеупомянутые средства контроля труб.
Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к устройствам для диагностики состояния материалов и конструкций и может быть использована при обследовании технологических и магистральных трубопроводов.
Уровень техники
Известно большое количество устройств для контроля трубопроводов, например диагностические снаряды, самоходные установки колесного или гусеничного типа и т.п.
Из заявки на патент США 2005/0072237 известен диагностический снаряд, перемещаемый в контролируемом трубопроводе потоком транспортируемого продукта. Диагностический снаряд содержит измерительный модуль, имеющий акустическую приемно-излучающую систему, содержащую по меньшей мере один электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП) и выполненную с возможностью установки на требуемом расстоянии от поверхности контролируемого объекта для обеспечения постоянного акустического контакта.
Однако в силу ограниченной маневренности этот диагностический снаряд не может быть использован для контроля сложных трубопроводных обвязок. Кроме того, для обеспечения достоверности и необходимой производительности контроля труб большого диаметра требуется использовать большое количество электромагнитно-акустических преобразователей, что повышает стоимость данного устройства. Кроме того, данный снаряд способен выявлять только трещиноподобные дефекты, ориентированные вдоль трубы.
В заявке на патент США 2006/0164091 описано устройство для электромагнитного контроля труб, устанавливаемое с возможностью вращения на средства перемещения в трубе, снабженные узлом вращения. Устройство содержит основание, которое соединено с узлом вращения средств перемещения в трубе и на котором установлены средства намагничивания стенки трубы, выполненные в виде магнитных полюсов, расположенных на концах магнитопроницаемой штанги, закрепленной на основании. Кроме того, устройство содержит массив преобразователей электромагнитного поля, также установленных на основании устройства на некотором расстоянии от средств намагничивания вдоль продольной оси трубы. Преобразователи электромагнитного поля выполнены в виде датчиков Холла.
Основание устройства выполнено в виде вала, который соединен с узлом вращения средств перемещения в трубе и расположен соосно с продольной осью трубы. Кроме того, штанга выполнена телескопической, что позволяет выполнять обследование труб различного диаметра. Однако разнесение датчиков и магнитов вдоль оси трубы, что необходимо для реализации технологии электромагнитной диагностики, не позволяет создать компактного устройства, которое при прохождении по трубопроводу способно преодолевать участки, имеющие большой угол поворота. Кроме того, данное устройство имеет низкую чувствительность к дефектам.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является патент РФ на полезную модель 
66547. В этом патенте раскрыты средства контроля труб, устанавливаемые с возможностью вращения на средствах перемещения, выполненных с возможностью перемещения в трубе, и содержащие основание, на котором установлены приемно-излучательные акустические блоки, содержащие средства намагничивания стенки трубы и преобразователи электромагнитного поля, каждый из которых включает чувствительные к электромагнитному полю элементы. Каждый преобразователь электромагнитного поля выполнен с возможностью возбуждения поперечных ультразвуковых волн с круговой поляризацией и их приема и расположен в одном сечении со средствами намагничивания.
В указанном патенте также раскрыто соответствующее подвижное устройство для контроля труб, используемое совместно с упомянутыми средствами контроля.
В средствах контроля по патенту 66547 для возбуждения и приема акустической волны в исследуемом объекте применен электромагнитоакустический принцип, что позволяет, с одной стороны, увеличить достоверность контроля по сравнению с вышеописанными решениями, а с другой - благодаря единому премно-излучательному акустическому блоку - обеспечить необходимую компактность устройства и, следовательно, возможность контроля участков трубопроводов с большим углом поворота.
Однако необходимо отметить, что экплуатацию подобных средств контроля нередко осуществляют в трубопроводах с содержанием взровоопасных газовых смесей. Учитывая значительные токи и напряжения в цепи преобразователя электромагнитного поля, весьма заметным становится риск возникновения искры, например в результате разрыва цепи вследствие ее механического повреждения. Это налагает серьезные ограничения на практическое применение описанных средств контроля.
Таким образом, очевидна потребность во взрывобезопасных средствах контроля труб и подвижном устройстве, в котором они могут быть применены.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является создание компактных средств для контроля труб различного диаметра, которые позволяют с высокой точностью выявлять потери материала на наружной поверхности трубы, обнаруживать внутренние дефекты тела трубы и измерять толщину стенок трубопровода и дополнительно обеспечивать взрывозащиту при работе во взрывоопасных средах. При этом необходимо обеспечить подвижное устройство, с которым могут быть использованы указанные средства.
Поставленная задача решена благодаря тому, что в средства контроля труб, устанавливаемые с возможностью вращения на средствах перемещения, выполненных с возможностью перемещения в трубе, и содержащие основание, на котором установлен по меньшей мере один приемно-излучательный акустический блок, содержащий средства намагничивания области стенки трубы и преобразователь электромагнитного поля и выполненный с возможностью возбуждения в трубе поперечных ультразвуковых волн с круговой поляризацией и их приема, дополнительно включено по меньшей мере одно устройство взрывозащиты.
Предпочтительно средства намагничивания стенки трубы и преобразователь электромагнитного поля при работе расположены таким образом, что через них проходит по меньшей мере одно поперечное сечение трубы. Такое расположение обеспечивает малую протяженность средств вдоль оси исследуемой трубы, что обеспечивает возможность проведения диагностики участков трубопровода; имеющих большие углы поворота.
Преобразователь электромагнитного поля как правило содержит катушку индуктивности.
Устройство взрывозащиты в предпочтительном варианте осуществления содержит оптопару и пластину, которая при работе расположена между приемно-излучательным акустическим блоком и намагничиваемой областью стенки трубы и на которую нанесена по меньшей мере часть питающей цепи источника излучения оптопары таким образом, что разрыв указанной цепи приводит к прекращению работы преобразователя электромагнитного поля. Благодаря такой конструкции устройства взрывозащиты, например, при механическом контакте преобразователя электромагнитного поля со стенкой трубы, что может привести к разрыву цепи преобразователя, первой разрушается питающая цепь источника излучения оптопары, что автоматически останавливает работу указанного преобразователя с предотвращением образования электрической искры и возможного взрыва.
Пластина обычно выполнена с возможностью пропускания электромагнитного поля, предпочтительно керамической.
Средства контроля труб могут содержать средства визуального контроля стенки трубы.
Средства контроля труб также могут содержать по меньшей мере один узел подвеса приемно-излучательного акустического блока, соединенный с основанием посредством манипулятора, который целесообразно выполнить телескопическим.
Узел подвеса предпочтительно соединен с манипулятором с возможностью вращения вокруг трех перпендикулярных осей.
Кроме того, поставленная задача решена благодаря тому, что в подвижном устройстве для контроля труб, содержащем средства перемещения в трубе и средства контроля труб, установленные с возможностью вращения на средствах перемещения и содержащие основание, на котором установлен по меньшей мере один приемно-излучательный акустический блок, содержащий средства намагничивания области стенки трубы и преобразователь электромагнитного поля и выполненный с возможностью возбуждения в трубе поперечных ультразвуковых волн с круговой поляризацией и их приема, средства контроля труб дополнительно снабжены устройством взрывозащиты.
Предпочтительно средства намагничивания стенки трубы и преобразователь электромагнитного поля при работе расположены таким образом, что через них проходит по меньшей мере одно поперечное сечение трубы. Такое расположение обеспечивает малую протяженность средств вдоль оси исследуемой трубы, что обеспечивает возможность проведения диагностики участков трубопровода, имеющих большие углы поворота.
Преобразователь электромагнитного поля как правило содержит катушку индуктивности.
Устройство взрывозащиты в предпочтительном варианте осуществления содержит оптопару и пластину, которая при работе расположена между приемно-излучательным акустическим блоком и намагничиваемой областью стенки трубы и на которую нанесена по меньшей мере часть питающей цепи источника излучения оптопары таким образом, что разрыв указанной цепи приводит к прекращению работы преобразователя электромагнитного поля. Благодаря такой конструкции устройства взрывозащиты, например, при механическом контакте преобразователя электромагнитного поля со стенкой трубы, что может привести к разрыву цепи преобразователя, первой разрушается питающая цепь источника излучения оптопары, что автоматически останавливает работу указанного преобразователя с предотвращением образования электрической искры и возможного взрыва.
Пластина обычно выполнена с возможностью пропускания электромагнитного поля, предпочтительно керамической.
Средства контроля труб могут содержать средства визуального контроля стенки трубы.
Средства контроля труб также могут содержать по меньшей мере один узел подвеса приемно-излучательного акустического блока, соединенный с основанием посредством манипулятора, который целесообразно выполнить телескопическим.
Узел подвеса предпочтительно соединен с манипулятором с возможностью вращения вокруг трех перпендикулярных осей.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено подробное описание варианта осуществления полезной модели со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид спереди средств контроля труб;
фиг.2 изображает вид сбоку подвеса приемно-излучательного акустического блока;
фиг.3 изображает вид снизу подвеса приемно-излучательного акустического блока;
фиг.4 изображает вид сбоку в разрезе электромагнитно-акустического преобразователя;
фиг.5 изображает вид сбоку в разрезе телевизионной камеры;
фиг.6 изображает пластину с нанесенной на нее частью питающей цепи источника излучения оптопары;
фиг.7 иллюстрирует принцип работы электромагнитно-акустического преобразователя.
Осуществление полезной модели
Предлагаемые средства контроля труб содержат модуль 35 ультразвукового контроля, представленный на фиг.1, и основание (не показано), на котором он закреплен. Модуль 35 и основание установлены с возможностью вращения на средствах перемещения в трубе, выполненных в виде гусеничных средств перемещения.
Гусеничное средство перемещения имеет два нижних трака, присоединенных к платформе и выполненных с возможностью настройки под диаметр трубопровода, и верхний выдвижной трак для распора при движении по вертикальным участкам. Такое конструктивное выполнение средства перемещения позволяет осуществлять внутритрубную диагностику горизонтальных, наклонных и вертикальных участков технологических трубопроводов различного диаметра. Кроме того, средство перемещения имеет узел вращения, соединенный с основанием и обеспечивающий круговое перемещение основания и модуля 35 в трубе.
Модуль 35 содержит герметичный корпус 1, на котором с диаметрально противоположных сторон установлены два телескопических манипулятора 2.
На конце каждого манипулятора 2 установлен с возможностью вращения подвес 4 (фиг.1-3), в котором закреплен приемно-излучательный акустический блок, выполненный в виде электромагнитно-акустического преобразователя (ЭМАП) 5. Выполнение манипуляторов 2 телескопическими позволяет устанавливать подвесы 4 на поверхность контролируемого трубопровода и обеспечивать постоянный акустический контакт ЭМАП и поверхности трубы при диагностики труб разного диаметра, а также в случае овальности контролируемого трубопровода.
Манипуляторы 2 можно раздвигать и складывать при помощи общего привода (не показан). Каждый манипулятор 2 содержит пружину 6, позволяющую компенсировать неравномерность расстояния от корпуса 1 до поверхности контролируемого объекта при проведении диагностического обследования. Благодаря такой конструкции манипулятора 2 между ЭМАП 5 и поверхностью трубопровода обеспечен зазор от 0 до 0,75 мм.
Подвесы 4 содержат тележку 7 с колесами 8. Подвесы 4 подпружинены посредством пружин 6 манипуляторов 2, так что колеса 8 уперты во внутреннюю поверхность трубы и обеспечивают перемещение подвесов 4 по этой поверхности в направлении, перпендикулярном оси трубы.
Тележка 7 содержит кронштейн 9 с шарниром 10 и раму 11. ЭМАП 5 закреплен на раме 11 через прокладку 12, что позволяет регулировать величину рабочего зазора между рабочей поверхностью ЭМАП 5 и поверхностью контролируемого объекта. Отверстие 28 шарнира 10 предназначено для установки штанги манипулятора 2.
Благодаря тому, что манипуляторы 2 выполнены телескопическими, обеспечено поступательное перемещение подвесов 4 вдоль оси этих манипуляторов. Возможность вращения подвесов 4 вокруг точки их крепления к манипулятору 2 вокруг трех перпендикулярных осей с обеспечением поворота, наклона и качания достигнута благодаря шарниру 10, к которому прикреплена штанга манипулятора 2. Такая конструкция подвеса 4 позволяет проходить неровности в трубе при постоянном рабочем зазоре. Кабели 13 каждого подвеса 4, показанные на фиг.1, проведены в корпус 1 через гермовводы 14 и подключены к электронным узлам (не показаны), расположенным в корпусе 1 и обеспечивающим работу ЭМАП 5, управление приводом выдвижения манипуляторов 2 и обзорными камерами 3, установленными в корпусе 1 и предназначенными для осуществления контроля за наведением ЭМАП 5 на контролируемую область стенки трубопровода, как более подробно описано ниже.
Как показано на фиг.4, ЭМАП 5 содержит магнитную систему, включающую постоянные магниты 15, например на основе сплава Nd-Fe-B, и высокочастотную катушку индуктивности (не показана), которая расположена непосредственно под магнитной системой. Магниты 15 размещены в корпусе 16, а высокочастотная катушка расположена на подложке 17 и залита слоем 21 полиуретана толщиной 0,2 мм. Корпус 16 и подложка 17 соединены между собой посредством винтов (не показаны). В корпусе 16 предусмотрено уплотнительное кольцо 20, предотвращающее попадание в этот корпус влаги. ЭМАП 5 также содержит крышку 18 с гермовводом 19 и кабели 13 в защитной оболочке с гермовводом 14. Диаметр рабочей зоны ЭМАП составляет 10 мм.
ЭМАП 5 выполняет как функции излучателя ультразвуковой волны, так и ее приемника.
Подложка 17 содержит окно, в которое вклеена пластина 36, изображенная на фиг.6. Пластина 36 выполнена с возможностью пропускания электромагнитного поля. Пластина 36, например, может быть выполнена из керамики.
На пластину 36 в виде змейки напылена или нанесена иным способом часть 37 питающей цепи источника излучения оптопары, например свето-диода. При разрыве указанной цепи на фотоприемник оптопары перестает поступать соответствующее излучение со светодиода, что в свою очередь приводит к прекращению подачи импульсов на высокочастотную катушку индуктивности ЭМАП 5.
В гнездах 23 корпуса 1 установлены две обзорные камеры 3, закрепленные при помощи уплотнительных прокладок 24 (фиг.1). Каждая камера 3 содержит ПЗС-модуль и объектив 25, установленный в герметичном взрывозащищенном корпусе 26, как показано на фиг.5. ПЗС-модуль обеспечивает преобразование светового потока от контролируемого объекта в телевизионный сигнал. В корпусе 26 также установлены светодиодные осветители 27, обеспечивающие освещение контролируемого объекта. Передняя часть корпуса 26 закрыта съемной крышкой 28, которая обеспечивает пропускание света к входному окну объектива и света от осветителей 27. Крышка 28 снабжена прокладкой 29, которая обеспечивает герметичность конструкции камеры. Из задней части корпуса 26 выходят соединительные провода, на которых устанавлен выходной разъем 30 для подключения камеры к источникам питания и приемнику телевизионного сигнала (не показаны). Камеры 3 позволяют осуществлять контроль за наведением ЭМАП 5 на контролируемую область стенки трубопровода.
Средства контроля труб работают следующим образом. Для проведения процедуры контроля модуль 35 закрепляют на основании, которое устанавливают на средствах перемещения, соединяя его с узлом вращения, обеспечивающим круговое перемещение модуля 35 по внутренней поверхности трубопровода.
Возможны два варианта проведения контроля тела трубы:
- сплошное спиральное сканирование с заданным шагом, обеспечиваемое равномерным передвижением средства перемещения в трубопроводе и одновременным круговым перемещением ЭМАП 5 по внутренней поверхности трубопровода в направлении, перпендикулярном его оси;
- поэтапное кольцевое сканирование сечения трубопровода с периодическим перемещением средств перемещения на заданный шаг и последующим круговым перемещением ЭМАП 5 по внутренней поверхности трубопровода в направлении; перпендикулярном его оси.
До начала процедуры контроля средство перемещения с установленным на него модулем 35 для ультразвукового контроля загружают в трубопровод с помощью штатных приспособлений через места загрузки, приводят средства перемещения в рабочее состояние и располагают его в зоне контроля. Приведение указанных средств в рабочее состояние включает разворот траков под требуемый диаметр трубы, подъем платформы до требуемой высоты и прижим в случае необходимости верхнего трака.
После этого проводят визуальный осмотр места контроля с помощью обзорных камер 3. Далее устанавливают подвесы 4 вблизи контролируемого объекта, выставляя требуемый зазор между ним и ЭМАП 5 путем выдвижения телескопических манипуляторов 2. Для обеспечения устойчивой работы ЭМАП 5 величина воздушного зазора между ЭМАП 5 и контролируемой поверхностью должна составлять от 0 мм до 0, 75 мм.
В случае спирального сканирования тела трубы производят поступательное перемещения средств перемещения вдоль продольной оси трубы и вращение модуля 35. Во время такого перемещения ЭМАП 5 осуществляют возбуждение и прием ультразвуковых колебаний.
При кольцевом сканировании сначала перемещают средства перемещения на заданный шаг вдоль оси трубопровода, после чего поворачивают модуль 35 на один оборот по поверхности трубопровода в направлении, перепендикулярном оси трубопровода. При повороте ЭМАП 5 возбуждает и принимает ультразвуковые колебания.
Поэтапное кольцевое сканирование используют для более детального исследования участков с подозрением на дефекты, появившемся при спиральном сканировании
Принцип работы ЭМАП 5 проиллюстрирован на фиг.7. Когда ЭМАП 5 подводят к контролируемому объекту 32, происходит его намагничивание под действием магнитной системы 31. На высокочастотную катушку 33 индуктивности подают переменный ток, и она начинает вырабатывать колебания, что приводит к возбуждению упругих колебаний на поверхности объекта 32 с частотой, равной частоте тока, а также индуцированию в контролируемом объекте высокочастотных вихревых токов 34. Так как силы взаимодействия вихревых токов с магнитным полем параллельны поверхности, в стенке трубы возбуждается поперечная ультразвуковая волна (SH-волна) с круговой поляризацией. Указанная волна отражается от противоположной стенки трубы или от дефектов внутри стенки. Преобразование отраженной акустической волны в конечный электрический сигнал происходит в катушке ЭМАП 5 за счет взаимодействия поля постоянного магнита с движущимся проводником, которым является поверхность объекта контроля. По характеру отраженного сигнала судят о наличии или отсутствии дефектов и их параметрах.
При работе пластина 36 действует как устройство взрывозащиты. Например, при плотном контакте ЭМАП 5 со стенкой трубопровода возможно механическое повреждение цепи высокочастотной катушки индуктивности или разрыв этой цепи. Это может привести, в свою очередь, к искрообразованию и взрыву при наличии в трубопроводе взрывоопасной газовой смеси. Расположение пластины 36 с нанесенной на нее частью 37 питающей цепи светодиода между ЭМАП 5 и намагничиваемой областью трубы приводит при таком контакте сначала к разрыву указанной питающей цепи. В этом случае на фотоприемник оптопары перестает поступать соответствующее излучение, что в свою очередь приводит отключению цепи катушки 33, то есть к опережающему отключению ее питания при опасности механического разрыва цепи. Это обеспечивает взрывозащиту предлагаемых средств для контроля труб и возможность их безопасного использования во взрывоопасных средах.
Предлагаемые средства контроля труб позволяют выполнять диагностику технического состояния материала тела трубы. В частности устройство позволяет определять потерю металла на наружной поверхности трубы, внутренние дефекты тела трубы и измерять уменьшение толщины стенки трубы.
1. Средства контроля труб, устанавливаемые с возможностью вращения на средствах перемещения, выполненных с возможностью перемещения в трубе, и содержащие основание, на котором установлен по меньшей мере один приемно-излучательный акустический блок, содержащий средства намагничивания области стенки трубы и преобразователь электромагнитного поля и выполненный с возможностью возбуждения в трубе поперечных ультразвуковых волн с круговой поляризацией и их приема, отличающиеся тем, что они дополнительно содержат по меньшей мере одно устройство взрывозащиты.
2. Средства по п.1, отличающиеся тем, что средства намагничивания стенки трубы и преобразователь электромагнитного поля при работе расположены таким образом, что через них проходит по меньшей мере одно поперечное сечение трубы.
3. Средства по п.2, отличающиеся тем, что преобразователь электромагнитного поля содержит катушку индуктивности.
4. Средства по п.3, отличающиеся тем, что устройство взрывозащиты содержит оптопару и пластину, которая при работе расположена между указанными блоком и областью стенки трубы и на которую нанесена по меньшей мере часть питающей цепи источника излучения оптопары таким образом, что разрыв указанной цепи приводит к прекращению работы преобразователя электромагнитного поля.
5. Средства по п.4, отличающиеся тем, что пластина выполнена с возможностью пропускания электромагнитного поля.
6. Средства по п.5, отличающиеся тем, что пластина выполнена керамической.
7. Средства по любому из пп.1-6, отличающиеся тем, что они содержат средства визуального контроля стенок труб.
8. Средства по п.7, отличающиеся тем, что они содержат по меньшей мере один узел подвеса приемно-излучательного акустического блока, соединенный с основанием посредством манипулятора.
9. Средства по п.8, отличающиеся тем, что манипулятор выполнен телескопическим.
10. Средства по п.8 или 9, отличающиеся тем, что узел подвеса соединен с манипулятором с возможностью вращения вокруг трех перпендикулярных осей.
11. Подвижное устройство для контроля труб, содержащее средства перемещения в трубе и средства контроля труб, установленные с возможностью вращения на средствах перемещения и содержащие основание, на котором установлен по меньшей мере один приемно-излучательный акустический блок, содержащий средства намагничивания области стенки трубы и преобразователь электромагнитного поля и выполненный с возможностью возбуждения в трубе поперечных ультразвуковых волн с круговой поляризацией и их приема, отличающееся тем, что средства контроля труб дополнительно содержат устройство взрывозащиты.
12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что средства намагничивания стенки трубы и преобразователь электромагнитного поля при работе расположены таким образом, что через них проходит по меньшей мере одно поперечное сечение трубы.
13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что преобразователь электромагнитного поля содержит катушку индуктивности.
14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что устройство взрывозащиты содержит оптопару и пластину, которая при работе расположена между указанными блоком и областью стенки трубы и на которую нанесена по меньшей мере часть питающей цепи источника излучения оптопары таким образом, что разрыв указанной цепи приводит к прекращению работы преобразователя электромагнитного поля.
15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что пластина выполнена с возможностью пропускания электромагнитного поля.
16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что пластина выполнена керамической.
17. Устройство по любому из пп.11-16, отличающееся тем, что средства контроля труб содержат средства визуального контроля стенок труб.
18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что средства контроля труб содержат по меньшей мере один узел подвеса приемно-излучательного акустического блока, соединенный с основанием посредством манипулятора.
19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что манипулятор выполнен телескопическим.
20. Устройство по п.18 или 19, отличающееся тем, что узел подвеса соединен с манипулятором с возможностью вращения вокруг трех перпендикулярных осей.
