Снаряд-дефектоскоп для контроля отверстий в стенках внутри трубопровода

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю нефтегазопроводов и может быть использовано для определения наличия отверстий и каверн внутри труб и их координат. Дефектоскоп имеет герметизированный сегментированный корпус с эластичными манжетами в передней и задней частях корпуса. Приборный узел дефектоскопа содержит множество датчиков, закрепленных на эластичных пластинах, расположенных в несколько рядов по окружности корпуса дефектоскопа. Каждый датчик представляет собой совокупность трех пластин-обкладок и микросборки. Стенка трубопровода служит второй обкладкой, образующей с тремя пластинами-обкладками датчика электрические емкости. Микросборка включает мостовую схему, генератор высокочастотных колебаний и фазочувствительный усилитель. За счет работы устройства на основе использования электрического поля повышается его разрешающая способность и уменьшается инерционность. 4 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля нефтегазопроводов и может быть использовано для внутритрубного определения наличия отверстий и каверен, а также их координат с борта подвижного снаряда-дефектоскопа. При этом надежно обнаруживаются в стенке трубопровода сквозные отверстия диаметром порядка 1 мм и больше.

Известны инспекционные снаряды для внутритрубного контроля состояния стенок трубопроводов, например, для определения размеров выступов и вмятин на внутренней поверхности трубы ультразвуковым методом. В частности, известно авторское свидетельство СССР N 1629683, кл. F 17 D 5/00//G 01 B 17/02 от 23.02.91, бюл. N 7 авторы Бакурский Н.Н., Пономарев С.В. и Рузляев А.К. "Устройство для контроля и регистрации нарушений гладкости внутренней поверхности трубы и пространственно- геометрических параметров трубопроводов". Это устройство содержит герметичный контейнер, эластичные манжеты, жестко закрепленные в носовой и хвостовой частях контейнера, последовательно соединенные датчик пути, установленный на внешней поверхности контейнера, и размещенные внутри контейнера блок вычислений и управления и регистратор. Оно снабжено "n" ультразвуковыми измерителями расстояний, каждый из которых состоит из ультразвукового приемопередающего преобразователя, так что эти преобразователи расположены попарно диаметрально противоположно на внешней поверхности контейнера и подключены к входам соответствующих селективных усилителей, входящих в измерительный модуль, который соединен с блоком вычислений и управления. Последний по сигналам с ультразвуковых преобразователей и заложенным в него алгоритмам определяет размеры вмятин и выступов на внутренней поверхности трубы, а также радиусы продольного изгиба трубы.

Недостатком данного устройства является невозможность определения и идентификации параметров отверстий малых (1-10 мм) диаметров, что объясняется большими размерами ультразвуковых приемопередающих датчиков.

Известен патент США N 5460046, 1994 г, G 01 N, "Метод и аппарат для ультразвуковой инспекции трубопроводов". Аппарат расположен в корпусе снаряда, на котором закреплены также манжеты, обеспечивающие его движение вместе с жидким потоком. На корпусе снаряда установлено множество многоэлементных преобразователей в виде большого количества отдельных удлиненных кристаллических элементов в виде прутков, отделенных друг от друга полимером, передние части которых обращены к трубе. Каждый преобразователь запитывается переменным электрическим напряжением, обеспечивающим передачу акустических сигналов в жидкости трубопровода, которые отражаются внутренней и внешней стенками трубопровода. Множество многократных сверхзвуковых отражений, воспринятых каждым преобразователем, анализируется на основе алгоритма программного обеспечения, вложенного в электронику снаряда, и на основе этого анализа и сопоставления с сигналом одометра оператор может определять аномалии толщины в стенках трубопровода в зависимости от расстояния, пройденного снарядом.

Недостатком данного устройства является невозможность определения отверстий малого диаметра. Это объясняется тем, что размер чувствительного элемента ультразвукового кристалла должен быть не больше размеров обнаруживаемого отверстия, что трудно обеспечить технически.

Для определения наличия в стенках труб каверен, раковин, трещин и прочих аномалий применяют магнитные дефектоскопы.

Известен патент Великобритании N 2086051, 1982 г, кл. G 01 N, в котором описан дефектоскоп для контроля трубопроводов, содержащий цилиндрический корпус-магнитопровод, закрепленные на нем постоянные магниты, магнитопроводные щетки и опорные элементы в виде эластичных манжет или колес, а также кассеты, размещенные между постоянными магнитами, преобразователи полей дефектов с подводящими проводниками, вмонтированными в кассеты, а также регистрирующую аппаратуру.

В более поздних конструкциях снарядов-дефектоскопов, имеющих конструкцию, аналогичную описанной выше, кассета выполнена в виде эластичной пластины из полиуретана с закрепленными в них преобразователями полей дефектов и подводящими проводниками и с защитной сменной эластичной накладкой (см., например, ТО и инструкцию по эксплуатации АЯД 1.571.032ТО, РАО "Газпром", Саратовгазприборавтоматика, г. Саратов, 1996). Недостатком подобных снарядов-дефектоскопов является невозможность обнаружения малых по размерам дефектов. Так, судя по указанному выше ТО АЯД1.571.032ТО, минимальные обнаруживаемые дефекты имеют размеры порядка 10х30 мм. Аналогичные данные приводятся в статье Резвых А.И., Полозова В.А., Патраманского Б.В. "Опыт применения отечественного магнитного снаряда-дефектоскопа ДМТ-1000 при обследовании газопровода Оренбург-Самара", Восьмая международная деловая встреча "Диагностика-98", т.2, М., 1998, с. 41-44, а именно: размеры выявленных дефектов порядка 40 мм при глубине дефекта порядка 7 мм. Следовательно, с помощью снарядов-дефектоскопов магнитного типа известной конструкции невозможно обнаруживать малые отверстия в стенке трубы.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство по патенту "Метод анализа магнитного поля и аппарат для определения стресс-характеристик в трубопроводе", патент США N 5.532.587 от 16.121991 г. , кл. G 01 N 027/72; G 01 N 027/82; G 01 R 033/12, авторы Downs и др. Аппарат для определения стресс-характеристик в трубопроводе представляет собой герметизированный сегментированный корпус, содержит эластичные манжеты в передней и задней частях корпуса снаряда, имеет электрический прибор с узлом, прикрепленным внутри корпуса. Узел содержит множество датчиков, имеющих электромагнитную связь с внутренней поверхностью трубопровода, каждый из которых генерирует сигналы, которые изменяются в зависимости от локальной относительной проницаемости металла трубопровода. В его состав входят блок электроники для регистрации сигналов множества датчиков и одометрический узел для генерации корреляционной информации, а также прибор для регистрации сигнала и данных для дальнейшего анализа. Во время прохождения снаряда сигналы изменяются с локальной магнитной проницаемостью стенки трубы, и корреляционные данные генерируются и регистрируются. После прохождения снаряда корреляционные данные используются для корректировки местоположения стрессовых явлений на стенках трубопровода. При этом одно из множества магнитных соединительных средств выполнено по крайней мере в виде ферромагнитного сердечника, на котором размещена катушка, по которой пропущен пульсирующий ток, и этот сердечник с катушкой связан с датчиком напряженности магнитного поля, выполненным в виде вторичной катушки, сигнал которой фиксируется в блоке электроники для регистрации сигналов.

Второе альтернативное исполнение. Сердечник и первичная обмотка такие же, как и описанные выше, однако, вместо вторичной катушки применен датчик напряженности магнитного поля либо в виде магнитного диода, либо другого типа, решающего аналогичную задачу.

Недостатком данного устройства по патенту 5.532.587US является ограниченная разрешающая способность из-за удаленности датчиков от внутренней поверхности трубопровода и ограниченной возможности по их миниатюризации в силу принятой конструкции, в резудьтате чего их невозможно применить для идентификации отверстий в стенке трубопровода.

Задачей изобретения является повышение разрешающей способности устройства до уровня, при котором будет обеспечена задача надежного обнаружения отверстий малого диаметра в стенке трубопровода.

Поставленная задача решается тем, что в снаряде-дефектоскопе для контроля отверстий в стенках внутри трубопровода, включающем в свой состав герметизированный корпус, эластичные манжеты в передней и задней частях корпуса, узел одометра, приборный узел, закрепленный внутри корпуса, содержащий множество датчиков, предназначенных для преобразования изменения локальной напряженности поля металла трубопровода в электрический сигнал, закрепленных на эластичных пластинках, блок электроники для регистрации сигналов, каждый датчик выполнен состоящим из трех электрически изолированных пластинок-обкладок, расположенных вдоль продольной оси снаряда и обращенных плоскостями к трубопроводу, причем они соединены в мостовую схему так, что одна диагональ моста соединяется с выходом генератора высокочастотного напряжения, а другая соединена с сигнальными входами фазочувствительного усилителя, опорные входы которого соединены с выходом генератора высокочастотного напряжения, при этом генератор высокочастотного напряжения и фазочувствительный усилитель, образующие микросборку, а также три пластинки-обкладки залиты в эластичную полиуретановую пластину, закрытую со стороны стенки трубы эластичной сменной накладкой из полимеризующегося материала, датчики расположены в несколько рядов по окружностям корпуса, датчики каждого последующего ряда повернуты вокруг продольной оси снаряда- дефектоскопа на угол, при котором обеспечивается возможность полного кругового контроля отверстий на внутренней поверхности трубопровода, выходы датчиков с помощью проводов соединены с соответствующими входами блока электроники для регистрации сигналов.

На фиг. 1 изображен общий вид снаряда-дефектоскопа; на фиг. 2 - один из датчиков снаряда-дефектоскопа; на фиг. 3 - вид А на фиг. 2; на фиг. 4 представлена схема соединения электроэлементов отдельного датчика.

Трубопровод 1 выполнен из ферромагнитного сплава. Внутри трубопровода размещен снаряд-дефектоскоп 2, основой которого является герметичный корпус 3 с эластичными манжетами 4 и 5 из полиуретана в передней и задней частях корпуса 3, предназначенными для центрирования снаряда 2 в трубопроводе 1. Иногда на корпус 3 устанавливают колеса, которые на фиг. 1 не изображены. Номерами 6, 6' показаны ряды датчиков, при этом датчики второго ряда развернуты относительно оси X-X так, что в совокупности с учетом их поперечных размеров и других рядов они перекрывают без пропусков всю окружность трубопровода 1. Количество рядов может быть и больше двух. Номером 7 обозначен узел одометра, которых может быть несколько штук. Отдельный датчик состоит из трех металлических электрически изолированных пластинок-обкладок 8, 9, 10, обращенных плоскостями к трубопроводу 1, расположенных вдоль продольной оси снаряда 2, закрепленных на полиуретановой пластине 11 и предохраненных накладкой 12 из такого же материала. Пластинки-обкладки 8,9, 10 электрически соединены с микросборкой 13, которая также залита в пластину 11. Провода 14 также залиты в пластину 11. При этом пластина 11 посредством накладки 15 прикреплена винтами (не показаны) к круговому буртику 16, к которому крепятся и другие датчики. Стяжка 17 удерживает в наклонном состоянии, близком к рабочему, эластичные пластины 11 в снаряде-дефектоскопе 2, не введенном в трубу, что создает удобства при его транспортировке. Накладки 12 предохраняют пластины 11 и вмонтированные в них датчики от механического контакта с поверхностью трубы при износе легко заменяются. Номером 18 обозначено отверстие в стенке трубопровода 1.

Датчик представляет собой совокупность пластин-обкладок 8,9 и 10 и залитой на пластине 11 микросборки 13. В качестве второй обкладки для электрических емкостей 8,9, 10 служит трубопровод 1. Микросборка 13 включает в свой состав мостовую схему 19, генератор высокочастотных колебаний 20 и фазочувствительный усилитель 21.

Два плеча мостовой схемы 19 составляют резисторы R₁ и R₂, а два других плеча - последовательно соединенные электрические емкости промежутков 8-1, 1-9, 9-1 и 1-10. при симметричном расположении отверстия 18 относительно пластинок-обкладок 8 и 10, т.е. против пластинки 9, сопротивления конденсаторов C_8-1, C_1-9, и C_1-10 одинаковы, и мостовая схема уравновешена. В то же время емкость конденсатора равна: где - диэлектрическая проницаемость; l - расстояние между пластинами-обкладками 8, 9, 10 и трубопроводом 1; S - площадь пластины-обкладки 9.

В силу уменьшения площади S из-за наличия отверстия 18 уменьшается по сравнению с емкостями C_1-8, C_1-10. В том случае, когда отверстие 18 размещено против пластинки-обкладки 10, что изображено на фиг. 2, емкость конденсаторов C_1-8 и C_1-9 будет превышать емкость конденсатора C_1-10 (l - толщина прокладки). Эти положения являются крайними, в других случаях расположения отверстия 18 против обкладок 8, 9, 10 емкости будут промежуточными по своим величинам. При отсутствии в теле трубопровода 1 отверстия значение сопротивлений резисторов R₁ и R₂ одинаковы и они подобраны равными емкостному сопротивлению конденсатора R_c: где - частота питающего мост напряжения. Нетрудно видеть, что одна диагональ моста - это точка 22 соединения резисторов R₁ и R₂ и пластинка-обкладка 9 соединены с выходом генератора 13 высокочастотного напряжения через конденсаторы C₁ и C₂, вторые обкладки которых соединены с коллекторами транзисторов T₁ и T₂, в качестве которых могут выступать, например, транзисторы КТ 315. Указанные транзисторы являются основой схемы мультивибратора [1], цепочки которого C₃;R₃ и C₄;R₄ подбираются из условия и определяют частоту генерации на выходе мультивибратора. Кроме того, разделительные конденсаторы C₁= C₂ выбираются из соотношения C₁, C₂ >> С₃, C₄. Резисторы R₅ и R₆ являются коллекторной нагрузкой в транзисторах T₁ и T₂. Выходы мостовой схемы от обкладок 8 и 10 соединены с базами параллельно соединенных транзисторов Т₃-Т₄ и T₅-Т₆, а ее входы точки 9 и 22 (и одновременно выход генератора высокочастотных колебаний 20) через резисторы R₇ и R₈ соединены с базами транзисторов T₇ и Т₈, подсоединенных в цепи эмиттеров составных транзисторов T₃-T₄ и T₅-T₆ соответственно, входящих в состав фазочувствительного усилителя [2]. Резисторы R₉ и R₁₀ являются нагрузочными для транзисторов T₃-T₄, T₇ и T₅-T₆, T₈ соответственно. Выход фазочувствительного усилителя 21 шунтирован конденсаторами C₅, С₆, предназначенными для фильтрации высокочастотной составляющей выходного сигнала U_B. Источник питания напряжением U_П не показан.

Аналогичные схемы предварительного преобразования и усиления сигналов емкостных датчиков входят в виде микросборок 13 во все датчики, входящие в ряды 6 и 6'. Расположение пластин 8,9,10 рядом с микросборкой 13 снижает длину монтажных проводов между ними, а провода, предназначенные для подвода напряжения питания U_П и для съема выходного низкочастотного напряжения U_В, могут иметь большую длину, что практически не влияет на работу устройства.

Выходы датчиков через провода 14 и жгут 15 соединены со входами мультиплексоров, которые, в свою очередь, соединены через аналого-цифровые преобразователи с контроллером и устройством памяти в виде, например, флэш-карт, входящих в состав блока электроники для регистрации сигналов, аналогичного этому блоку в патенте USA N 5.532.587.

Работает снаряд-дефектоскоп для контроля отверстий в стенках внутри трубопровода следующим образом.

При подключении питания к дефектоскопу начинают функционировать все его узлы. При неподвижном снаряде 2 и отсутствии в стенках трубопровода 1 отверстий сопротивления конденсаторов C_1-8 и C_1-10 будут одинаковыми, падения напряжений на них одинаковы и т.к. резисторы R₁ и R₂, входящие микросборки рядов 6, 6' датчиков, имеют одинаковые сопротивления, например, равные сопротивлениям R_C1-8 и R_C1-10, рассчитываемым по формулам (1) и (2), то мостовая схема 19 будет уравновешена, и ее выходное напряжение будет равно нулю. Соответственно будет отсутствовать сигнал U_В на выходе фазочувствительного усилителя 21. При движении снаряда-дефектоскопа 2, осуществляемом посредством манжет 4, 5 и при появлении отверстия 18 против пластинки-обкладки 8 сопротивление R_C1-8 возрастет, мост разбалансируется, и с диагонали его будет сниматься напряжение определенной фазы, например, совпадающей с фазой напряжения на выходе мультивибратора 20. При этом в один полупериод от пластины 10 плюс напряжения с моста поступает на базы транзисторов Т₃ и T₆, от пластины 9 минус - на базы T₄ и T₅, а плюс напряжения с выхода мультивибратора 20 поступает на базу транзистора T₇, в то же время минус - на базу транзистора T₈, входящего в состав фазочувствительного усилителя 21. При этом будут открыты только транзисторы Т₃ и T₇, и на выходе точка 24 будет иметь плюс, а точка 23 минус выходного напряжения. В следующий полупериод будут открыты только транзисторы T₅, T₈, и на выходе 23, 24 будет напряжение того же знака. После смещения снаряда влево отверстие сместится вправо, величина _В уменьшится, при нахождении отверстия против пластины 9 напряжение будет равно нулю, при смещении вправо знак U_В изменится на обратный, т. к. будут открыты транзисторы T₄, T₇ и T₆, T₈. Путь, пройденный снарядом-дефектоскопом 2, определяется одометром 7.

Значит, при движении снаряда и наличии отверстия на пути чувствительного элемента его выходной сигнал изменится и приобретет форму одного периода синусоиды. Этот период определяется по формуле
где d - расстояние между пластинами 8 и 10;
V_X1 - скорость движения снаряда. При d= 20 мм = 2 10^-2 м, V_XI = 5 м/с имеем

Сигналы с остальных n-1 чувствительных элементов не будут изменяться. Если на пути движения снаряда встретится сварной шов, то одновременно изменится выходной сигнал во всех чувствительных элементах первого ряда 6, а затем во всех чувствительных элементах второго ряда 6'. Это обстоятельство при расшифровке информации с помощью компьютера нетрудно установить. Если будут выступы или ямки, то пластина 11 с накладкой 12 будет деформироваться, и на эти деформации будет реагировать несколько чувствительных элементов, что также нетрудно установить с помощью микросборок 13 и блока электроники. Естественно, что расположение отверстия, шва, выступа или впадины определяется по сигналам узла одометра 7 или системы позиционирования. Сигналы с микросборок передаются в блок электроники и регистрации по проводам 14, пластины 11 при работе надежно фиксируются на корпусе 3 с помощью буртика 16 и накладок 15. Стяжка 17 при этом не мешает деформациям пластины 11.

Достоинством предложенного устройства являются его большая разрешающая способность и меньшая инерционность преобразования сигнала, т.к. его действие основано на использовании не магнитного, а электрического поля. Так, при частоте период изменения полезного сигнала Т₊ несопоставимо больше, чем период несущей частоты Т. Частота f реализуется при диаметрах пластинок-обкладок 8,9 и 10 порядка 10 мм, толщине накладки 2,5 мм и C_1-8 = C_1-9 = C_1-10 = 3 пФ при R_C1-8 = 510³ Ом.

Литература
1. Тимофеев В. В. Эхолот. В сб. "В помощь радиолюбителю", вып. 92. М.: Изд-во ДОСААФ СССР, 1986, С.23-41.

2. Поляков В.Т. Радиовещательные ЧМ-приемники с фазовой автоподстройкой. -М.: Радио и связь. 1983, 96 с.

Формула изобретения

Снаряд-дефектоскоп для контроля отверстий в стенках внутри трубопровода, включающий в свой состав герметизированный сегментированный корпус, эластичные манжеты в передней и задней частях корпуса, узел одометра, приборный узел, закрепленный внутри корпуса, содержащий множество датчиков, предназначенных для преобразования изменения локальной напряженности поля металла трубопровода в электрический сигнал, закрепленных на эластичных пластинках, блок электроники для регистрации сигналов множества датчиков, отличающийся тем, что каждый датчик выполнен состоящим из трех электрически изолированных пластинок-обкладок, расположенных вдоль продольной оси снаряда и обращенных плоскостями к трубопроводу, образующих мостовую схему так, что одна диагональ моста соединена с выходом генератора высокочастотного сигнала, а другая соединена с сигнальными входами фазочувствительного усилителя, опорные входы которого соединены с выходом генератора высокочастотного напряжения, при этом генератор высокочастотного напряжения и фазочувствительный усилитель, образующие микросборку, а также три пластинки-обкладки закреплены в эластичной пластине, закрытой со стороны стенки трубы эластичной сменной накладкой из полимеризующегося материала, датчики расположены в несколько рядов по окружностям корпуса, при этом датчики каждого последующего ряда повернуты вокруг продольной оси снаряда-дефектоскопа на угол, при котором обеспечивается возможность полного кругового контроля отверстий на внутренней поверхности трубопровода, выходы датчиков соединены с соответствующими входами блока электроники для регистрации сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4