электромагнитный зонд для внутритрубной дефектоскопии материала стенки трубы

Формула изобретения

Электромагнитный зонд для внутритрубной дефектоскопии материала стенки трубы, содержащий бортовой источник питания, последовательно соединенные генератор фиксированной частоты, коммутатор, матричный панорамный индуктивно-вихретоковый преобразователь, состоящий из n накладных катушек индуктивности, и детектор, а также трос с кабелем связи, отличающийся тем, что в зонд введена лента из эластичного материала, снабженная с одной из сторон бахромой, a n накладных катушек индуктивности матричного преобразователя размещены в поперечном сечении полого цилиндрического каркаса с равным шагом по окружности его внешней образующей поверхности, каркас изготовлен из диэлектрического материала, при этом внешние рабочие поверхности накладных катушек выполнены заподлицо с образующей внешней цилиндрической поверхностью каркаса и на эти поверхности каркаса и катушек закреплена лента бахромой наружу, придающая зонду вид бытового "ерша", бахрома выполнена одинаковой высоты, элементы блоков генератора, коммутатора и детектора изготовлены на печатной плате, размещенной в полости цилиндрического каркаса, которая заполнена герметизирующим компаундом, для источника питания предусмотрен отдельный отсек в полости каркаса, трос жестко прикреплен к торцу каркаса, а кабель связи подключен к выходу детектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к внутритрубной дефектоскопии материала стенки бурильных и обсадных труб забоев скважин, и может быть использовано при производстве таких труб.

Известны самоходные установки типа "Кроулер", содержащие панорамный радиационный излучатель, аккумуляторную батарею, генератор, блок детекторов, электрический привод и др. [Проспект фирмы JME (Англия) Кроулеры, Представительство фирмы в России ООО "Русско-Британское Предприятие "Спектрум НТД", проспект прилагается].

Недостатками известных установок являются высокая экологическая опасность для обслуживающего персонала и окружающей среды, так как используемые изотопы излучают радиоактивное поле, трудоемкость и не безопасность обслуживания, возможно контролировать только сварные швы труб большого диаметра.

Известны электромагнитные зонды, содержащие матричные индуктивно-вихретоковые преобразователи, катушки индуктивности которых выполнены в виде групп, ориентированных друг к другу перпендикулярно [см. А.с. СССР № 1350594, 1987, БИ № 41] или ориентированных плоскопараллельно к исследуемому объекту [Патент № 2172268, 2001, БИ № 23].

Функциональные возможности этих зондов ограничены тем, что они контролируют плоскую поверхность протяженных размеров и неприменимы для использования при дефектоскопии труб среднего диаметра, таких как бурильных и обсадных труб. Необходимость контроля качества материала таких труб при их изготовлении обусловлена тем, что скважины могут быть как вертикальными, так и наклонными, поэтому при эксплуатации сборок труб возникают большие изгибные нагрузки, которые могут привести к разрыву трубы в месте ее дефекта, необнаруженного из-за отсутствия операции контроля.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому представляется панорамный магнитный "Кроулер", содержащий генератор, блок детекторов и средства управления "Кроулером" и обработки информации [В.Ф.Мужицкий, В.П.Курозаев, А.С.Бакунов и др. Новые магнитные и вихретоковые средства неразрушающего контроля и технической диагностики // Контроль. Диагностика. - 1999. № 5. - С.5-9].

Недостатком этого "Кроулера" являются ограниченные функциональные возможности контролем швов сварных соединений на трубах большого диаметра из ферромагнитного материала.

Сущность изобретения заключается в том, что в электромагнитный зонд для внутритрубной дефектоскопии материала стенки трубы, содержащий бортовой источник питания, последовательно соединенные генератор фиксированной частоты, коммутатор, матричный панорамный индуктивно-вихретоковый преобразователь, состоящий из n накладных катушек индуктивности, и детектор, а также трос с кабелем связи, введена лента из эластичного материала, снабженная с одной из сторон бахромой, а n накладных катушек индуктивности матричного преобразователя размещены в поперечном сечении полого цилиндрического каркаса с равным шагом по окружности его внешней образующей поверхности, каркас изготовлен из диэлектрического материала, при этом внешние рабочие поверхности накладных катушек выполнены заподлицо с образующей внешней цилиндрической поверхностью каркаса и на их поверхности закреплена лента бахромой наружу, предающая зонду вид бытового "ерша", бахрома выполнена одинаковой высоты, элементы блоков генератора, коммутатора и детектора изготовлены на печатной плате, размещенной в полости цилиндрического каркаса, которая заполнена герметизирующим компаундом, для батареи питания предусмотрен отдельный отсек в полости каркаса, трос жестко прикреплен к торцу каркаса зонда, а кабель связи подключен к выходу детектора.

Техническим преимуществом предложенного зонда являются его малые габариты за счет вывода из его конструкции вторичных средств преобразования сигнала, но получения устойчивого сигнала на выходе зонда, а также сплошная (по всему телу) внутритрубная дефектоскопия стенки трубы как ферромагнитного, так и неферромагнитного материала при движении зонда внутри трубы.

На фиг.1 показано размещение зонда в трубе в разрезе; на фиг.2 - поперечное сечение по А-А фиг.1.

Зонд содержит источник питания 1, генератор 2 переменной частоты, коммутатор 3, матричный панорамный индуктивно-вихретоковый преобразователь с n катушками 4 индуктивности, размещенными в поперечном сечении полого цилиндрического каркаса 5 на внешней его поверхности, детектор 6. Технологически в теле поперечного сечения каркаса 5 с равным шагом по окружности сечения выполнены отверстия, в которые вложены катушки 4 индуктивности, так чтобы их рабочая поверхность была заподлицо с внешней поверхностью каркаса 5. Катушки 4 в отверстиях каркаса 5 крепятся, например, клеем. Каркас изготовлен из жесткого диэлектрического материала. Катушки 4 индуктивности включены в колебательные контуры и настроены в резонанс для увеличения метрологических характеристик матричного преобразователя. Под словом панорамный следует понимать охват контролем полное поперечное сечение трубы.

На внешние поверхности катушек 4 и каркаса 5 прикрепляется пленка 7 с бахромой 8, например, клеем, обращенной во внешнюю сторону и имеющей одинаковую высоту. Пленка 7 с бахромой 8 выполнены из диэлектрического, эластичного и износоустойчивого материала типа лавсана и придает зонду вид бытового (хозяйственного) "ерша". Такая пленка может выполняться, например, в виде чулка. Внутри полости каркаса предусмотрен отсек для размещения источника питания 1, в качестве которого может быть аккумуляторная батарея, в оставшейся полости размещена печатная плата 9, на которой установлены элементы генератора 2, коммутатора 3 и детектора 6.

Толщина, как и химический состав испытуемой трубы подразумеваются квазиодинаковыми соответственно. Вход генератора 2 соединен с выходом источника питания 1, а выход - с входом коммутатора 3. N выходов коммутатора 3 связаны с n входами матричного преобразователя, выход которого подключен к входу детектора 6.

Генератор 2 предназначен для генерирования напряжения фиксированной переменной частоты, величина которой назначается исходя из толщины стенки трубы, которую необходимо полностью просвечивать, и химического состава ее материала. Для приближенной оценки глубины проникновения электромагнитного поля накладного индуктивно-вихретокового преобразователя в объект контроля можно воспользоваться формулой проникновения (м) плоской волны:

где - круговая частота тока возбуждения преобразователя; - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; - удельная электрическая проводимость материала объекта контроля, См/м.

Коммутатор 3 выполняет функции переключения входов преобразователя с частотой на порядок и более меньшей, чем частота генератора 2 с тем, чтобы исключить взаимовлияние n катушек 4 индуктивности. Детектор 6 предназначен для выпрямления аналогового переменного информационного сигнала в постоянный сигнал для увеличения его помехоустойчивости при передаче и возможности передачи его на большое расстояние.

Трос 10 закреплен на одном из торцов каркаса 5 зонда и предназначен для протягивания его внутри трубы посредством электрического привода, установленного снаружи трубы (не показан). Скорость протягивания не превышает 20...30 м в минуту. Так как зонд покрыт бахромой одинаковой высоты, то при протягивании его в полости трубы зазор между внутренней поверхностью трубы и внешней поверхностью каркаса с катушками 4 всегда постоянен. Поскольку отдельные трубы не бывают более длины транспортировочного железнодорожного вагона (12 м), то и длину троса можно выбрать в пределах 13 м. Электрический кабель 11 присоединен к выходу детектора 6 для передачи информационного сигнала при необходимости на вторичный преобразователь (также не показан) для дальнейшего его анализа.

Работа зонда. Испытуемая труба устанавливается на стапель и закрепляется. На одном из торцов трубы размещают зонд, при этом трос и кабель связи зонда протягивают через полость трубы на противоположный ее торец. После прогрева элементов зонда источником питания включают генератор 2, который возбуждает через коммутатор 3 поочередно с частотой коммутации колебательные контуры n катушек 4 индуктивности матричного преобразователя.

В соответствии с этим каждая катушка 4 индуктивности создает в локальной зоне так называемое первичное электромагнитное поле, которое, проникая в материал стенки ферромагнитной или неферромагнитной трубы, наводит в нем вихревые токи. Эти токи возбуждают вторичное электромагнитное поле, которое взаимодействует с первичным полем. По степени взаимодействия первичного и вторичного электромагнитных полей электрический сигнал на выходе данного колебательного контура меняется. Этот сигнал выпрямляется в детекторе 6 и поступает в кабель 11 связи. По изменению выпрямленного сигнала судят о структуре материала (пустоты, инородные включения и др.). При необходимости сигнал подают на периферийные блоки для запоминания, регистрации и выполнения других функций.

Техническим преимуществом предложенного зонда являются его малые габариты за счет вывода из его конструкции вторичных средств преобразования сигнала, но получения устойчивого сигнала на выходе зонда, а также сплошная (по всему телу) внутритрубная дефектоскопия стенки трубы как ферромагнитного, так и неферромагнитного материала при движении зонда.