ПРИБОР КОНТРОЛЯ ТРУБОПРОВОДА С НАКЛОННЫМ НАМАГНИЧИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ

Ссылка на заявки, находящиеся в рассмотрении

Данная заявка имеет приоритет в отношении предварительной патентной заявки США № 61220734, поданной 26 июня 2009 года.

Область техники, которой относится изобретение

Изобретение в общем случае относится к приборам контроля, предназначенным для обнаружения аномалий в различных трубопроводах, а конкретнее - к приборам линейного контроля, в которых используются методы обнаружения рассеяния магнитного потока.

Уровень техники

Многие установленные трубопроводы можно проверять с использованием метода рассеяния магнитного потока (MFL), в первую очередь - с целью выявления аномалий с потерями металла. Известно, что рассеяние магнитного потока предсказуемым образом меняется при наличии аномалий в стенке трубопровода, при изменении главной оси аномалии рассеяния магнитного потока и угла поля. Наличие данного эффекта подтверждается как результатами экспериментальных исследований, так и моделированием; все это хорошо описано в литературе.

В определенной степени из-за ограничений, налагаемых процессом сбора данных, хранения данных и конструкциями магнитной цепи, в большинстве приборов линейного контроля используются осевые намагничивающие устройства (см., например, патент США № 6820653, Шемпф (Schempf) и др.). Однако современные конструкции осевых намагничивающих устройств затрудняют, а в некоторых случаях делают невозможным распознавание и количественное представление особо узких осевых дефектов. Для таких случаев в течение последнего десятилетия поставщиками услуг контроля трубопровода продаются и применяются технические решения, основанные на использовании магнитного поля в круговом или поперечном направлении. Однако из-за ограничений, налагаемых законами физики, технические характеристики и точность приборов контроля методом поперечного рассеяния магнитного потока (TFI) в общем случае меньше, чем у осевых приборов контроля для определения обычных аномалий с потерей металла.

Кроме того, эти TFI приборы требуют применения как минимум двух намагничивающих устройств для достижения достаточного покрытия, что делает встраивание их в существующий осевой MFL прибор нецелесообразным или сложным.

Для трубопроводов, которые могут иметь особо узкие участки с потерей металла или определенные аномалии, связанные со сварными швами, стандартные осевые полевые приборы не обеспечивают возможностей адекватного обнаружения и количественного представления. В этих случаях, для приборов на основе MFL первичные или дополнительные измерения проводятся с применением TFI прибора. В то время как TFI приборы могут быть способны к обнаружению аномалий на особо узких участках и определенных аномалий сварных швов, они также обнаруживают все остальные дефекты с объемными потерями металла, обычно встречающиеся в трубопроводах, затрудняя тем самым процесс идентификации аномалий целевых классов.

Одно из наиболее ранних TFI устройств описано в патенте США № 3483466 на имя Крауча (Crouch) и др. В патенте Крауча раскрыта пара электромагнитов, расположенных перпендикулярно друг к другу, с детекторами, такими как магнитометры или измерительные катушки, расположенными по сторонам магнитов. В отличие от использования постоянных магнитов и датчиков Холла, устройство Крауча остается основой для большинства современных реализаций. Кроме того, некоторые конструкции подразумевают использование сегментированных или отдельных дискретных магнитов, которые в большинстве случаев сохраняют поперечное или круговое направление поля. Например, в патенте США № 3786684 на имя Вайерса (Wiers) и др. раскрыты отдельные магниты, расположенные группами под наклоном к оси трубопровода, при этом поля каждой группы перпендикулярны полям другим групп. Однако расположение разграничивает поле на участки и области между полюсами каждого отдельного магнита. Кроме того, малые пространства между полюсами в реализации Вайерса уменьшают длину магнитной цепи, что служит причиной страдания прибора от воздействия скорости, а также маскируют, искажают или ухудшают качество данных на сварных швах, углублениях и других аномалиях.

Другие конструкции подразумевают использование сложных геометрических форм, множественных секций намагничивающего устройства и сложных механических устройств, таких как винтовые приводы, передачи и колеса, предназначенные для осуществления спирального, или винтового, движения участка намагничивающего устройства. Например, в патенте США № 5565633 на имя Вернике (Wernicke) раскрыто механически сложное устройство для применения вместе с намагничивающими участками, имеющими две или более магнитные цепи, а также множество чувствительных элементов. В одном варианте осуществления, магнитные блоки расположены с параллельными полюсами, размещенными по спирали. В другом варианте осуществления, магнитные блоки представляют собой скрученные пары полюсов, смещенные в осевом направлении. Оба варианта осуществления требуют механического вращения для полного покрытия внутренней поверхности трубы. Аналогично патенту Вернике, патент США № 6100684 на имя Рамуата (Ramuat) раскрывает, по существу, намагничивающее устройство, работающее на поперечном поле, что подразумевает наличие множества намагничивающих участков и сложной колесной конструкции для осуществления винтового движения участков и их перекрытия или полного покрытия стенки трубы. Патент США № 7548059 на имя Томпсона (Thompson) и др. включает в себя две опорные рамы (столба), включающие в себя зафиксированные магниты, расположенные парами на близком расстоянии, создавая номинально поперечное поле, закручивающееся по спирали вокруг трубы. Этот прибор, который включает в себя различные движущиеся части, такие как поддерживающая предварительно напряженная арматура, шкивы и пружины, требует значительного усложнения для достижения достаточной гибкости, для приспособления к изгибам трубопровода. Кроме того, магниты в данном устройстве создают поле между двумя параллельными полюсами, образуя единый замкнутый контур между полюсами отдельных дискретных магнитных блоков.

Аналогично патенту Томпсона, магниты, используемые на предшествующем уровне техники, описываются как блоки, без ссылок на гибкую или удобную верхнюю поверхность магнитного блока. Использование жесткой схемы расположения контактов для магнитной цепи ухудшает качество данных из-за появления на траектории магнитного поля воздушных карманов или различных зон магнитного сопротивления - в углублениях, вдоль сварных швов и других неровностях, которые могут присутствовать внутри трубопровода. Для определенных классов дефектов, нарушения, создаваемые в окружающем поле, маскируют и иным способом искажают сигналы рассеяния потока, присутствующие благодаря рассматриваемым дефектам. Любые магнитные аномалии, существующие внутри углублений и зон сварных швов, имеют большое значение из-за своего наличия внутри этих зон и, по существу, представляют собой области, где точность данных является крайне важной.

Кроме того, предшествующий уровень техники требует применения большого числа полюсов или поверхностей, находящихся в непосредственном контакте с поверхностью стенки трубы. Такое расположение может привести к возникновению чрезвычайно больших сил трения, или сопротивления движению, действующих на намагничивающее устройство, препятствуя тем самым его использованию в устройствах, для которых требуется более низкое трение.

Существует необходимость в MFL приборе, который: обеспечивает полное покрытие внутренней поверхности стенки трубы, без необходимости в механически сложных конструкциях; создает поле, детектирующее осевые, круговые и объемные дефекты; генерирует похожие реакции на дефекты независимо от того, осевая или круговая у них ориентация; полностью устраняет или уменьшает воздействия скорости, а также маскировку, прерывание и искажение сигнала в области сварных швов, углублениях и других неровностях; обходит препятствия, а также изгибы и сужения трубы и позволяет выполнять проверку трубопровода за один проход.

Раскрытие изобретения

Прибор контроля трубопровода по этому изобретению включает в себя узел намагничивающего устройства, имеющий цилиндрический корпус прибора, по меньшей мере, два радиальных диска и четное число «n» полюсных магнитов, расположенных по внешней поверхности цилиндрического корпуса прибора. Каждый полюсный магнит, который предпочтительно имеет податливую верхнюю поверхность, такую как щеточная поверхность, между магнитом и внутренней поверхностью стенки трубы, продолжается по всей длине цилиндрического корпуса, расположенного между двумя радиальными дисками. Пространство между соседними полюсными магнитами составляет приблизительно 360°/n, где «n» - количество используемых магнитов. Пути магнитного потока выходят из полюсов магнита, расходясь в противоположных направлениях и аналогичным образом возвращаясь в противоположный полюс.

Полюсные магниты повернуты, или закручены по спирали, вокруг корпуса прибора так, что второй конец каждого полюсного магнита смещен на предопределенную величину «α» относительно первого конца того же самого полюсного магнита. Величина поворота α каждого полюсного магнита создает магнитное поле, наклоненное к центральной продольной оси корпуса прибора (и, следовательно, трубы). Величина поворота α, которая может лежать в диапазоне от 30° до 150°, предпочтительно является величиной поворота, подходящей для создания магнитного поля, покрывающего внутреннюю поверхность стенки трубы, находящейся напротив корпуса прибора, на 360°.

Имеющая винтовую форму группа датчиков магнитного потока может быть расположена вокруг цилиндрического корпуса прибора и по существу быть равноудаленной между смежными парами полюсных магнитов. Предпочтительно обеспечить некоторую степень перекрытия датчиков группы, при этом первый конец группы датчиков магнитного потока заходит на расстояние «Δ» за линию, на которой расположен второй конец группы.

Технической задачей изобретения является создание прибора контроля методом рассеяния магнитного потока (MFL), который реагирует на широкий диапазон аномалий, генерирующих сигналы рассеяния магнитного потока.

Еще одна задача изобретения - создание прибора MFL, способного обеспечить покрытие внутренней стенки трубы на 360° с использованием единственного намагничивающего устройства, без необходимости в множестве участков намагничивающих устройств, намагничивающих устройств или в относительном перемещении между датчиками или участками для обнаружения дефектов с номинально осевой ориентацией. Еще одна задача изобретения - создание прибора MFL, способного обнаруживать объемные потери металла, вместе с методами ультразвукового, электромагнитно-акустического или магнитострикционного обнаружения. Еще одна задача изобретения - создание прибора MFL, который производит магнитное поле, генерирующее, по существу, аналогичную реакцию на осевые и поперечные аномалии, а также генерирующее обнаруживаемую реакцию на дефекты объемных потерь металла. Еще одна задача изобретения - создание прибора MFL, позволяющего устранить или уменьшить воздействия механического движения, действующие на сигналы магнитного рассеяния в области сварных швов, углублений и других неровностей. Еще одна задача изобретения - создание прибора MFL, который обнаруживает и количественно представляет особо узкие классы осевых аномалий, с дополнительным преимуществом, состоящим в совместной работе с существующим осевым возбуждающим намагничивающим устройством, что обеспечивает повышенную общую точность количественного представления аномалий с потерями металла. Еще одна задача изобретения - сведение к минимуму числа движущихся частей и узлов, входящих в состав прибора MFL. Еще одна задача изобретения - создание средства, позволяющего сжимать прибор MFL для преодоления препятствий изгибов и сужения. Дополнительная задача настоящего изобретения - создание одного прибора, при помощи которого обслуживание трубопровода может производиться за один проход, что сокращает объем усилий как со стороны оператора трубопровода, так и со стороны персонала службы технического контроля, требуемых для операций на месте, обработки и анализа данных и составления окончательного отчета.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - изометрическое изображение поперечно ориентированной конструкции намагничивающего устройства. Магнитное поле направлено по кругу или поперек продольной оси трубопровода.

Фиг.2 - изометрическое изображение варианта осуществления узла наклонного намагничивающего устройства согласно данному изобретению, в котором используется спиральная конструкция полюса магнита. Полюсные магниты повернуты, или закручены по спирали, приблизительно на 30° и включают в себя гибкую, или податливую, верхнюю поверхность.

Фиг.3 - вид другого варианта осуществления узла наклонного намагничивающего устройства, в котором полюсные магниты повернуты примерно на 60°.

Фиг.4 - вид другого варианта осуществления узла наклонного намагничивающего устройства, в котором полюсные магниты повернуты примерно на 90°.

Фиг.5 - вид еще одного варианта осуществления узла наклонного намагничивающего устройства, в котором полюсные магниты повернуты примерно на 120°.

Фиг.6 - вид еще одного варианта осуществления узла наклонного намагничивающего устройства, в котором полюсные магниты повернуты примерно на 150°.

Фиг.7 - вид с торца другого варианта осуществления узла наклонного намагничивающего устройства, иллюстрирующий взаимное расположение двух концов спиральных, или повернутых, полюсных магнитов. В данном примере полюсные магниты повернуты примерно на 135°. Податливая верхняя поверхность каждого полюсного магнита включает в себя щетинистую, или щеточную, поверхность.

Фиг.8 иллюстрирует результаты расположения наклонного намагничивающего устройства. Направление поля диагонально, или наклонно, по отношению к продольной оси трубы.

Фиг.9 - вид варианта осуществления узла наклонного намагничивающего устройства, включающего в себя группу датчиков винтовой формы, установленную от одного конца намагничивающего устройства до другого, которая обеспечивает полное покрытие внутренней поверхности стенки трубы и расположена с определенным перекрытием, чтобы иметь возможность приспособиться к любому возможному повороту прибора.

Фиг.10 - вид узла наклонного намагничивающего устройства, представленного на фиг.8, заключенного в участок.

Фиг.11 - вид прибора линейного контроля, который включает в себя узел наклонного намагничивающего устройства, осевое намагничивающее устройство и участок определения деформации.

Осуществление изобретения

Предпочтительные варианты осуществления прибора для измерений методом рассеяния магнитного потока (MFL) согласно данному изобретению будут описаны далее со ссылками на чертежи и следующие элементы, проиллюстрированные на чертежах:

10 Прибор линейного контроля

20 Прибор (MFL)/наклонное намагничивающее устройство

21 Цилиндрический корпус прибора

23 Первый конец корпуса 21

25 Второй конец корпуса 21

27 Продольная ось корпуса 21

31 Радиальный диск

40 Магнитная цепь

41 Полюсный магнит

43 Первый конец магнита 41

45 Второй конец магнита 41

47 Продольная осевая линия магнита 41

49 Податливая верхняя поверхность

51 Щетки

61 Полюсный магнит

63 Первый конец магнита 61

65 Второй конец магнита 61

67 Продольная осевая линия магнита 61

69 Податливая верхняя поверхность

71 Щетки

80 Магнитное поле

81 Путь магнитного потока поля 80

90 Группа датчиков

91 Первый конец группы 90

93 Второй конец группы 90

100 Осевое намагничивающее устройство

110 Участок определения деформации

На фиг.1 магнит 41 северного полюса и магнит 61 южного полюса расположены под углом приблизительно 180° друг напротив друга, на цилиндрическом корпусе 21 прибора, так что соответствующая продольная осевая линия 47, 67 каждого полюсного магнита 41, 61 параллельна продольной оси 27 цилиндрического корпуса 21 прибора (и, следовательно, параллельна центральной продольной оси исследуемой трубы). Хотя полюсные магниты 41, 61 отличаются от реализаций предшествующего уровня техники тем, что, например, каждый магнит 41, 61 продолжается по всей длине цилиндрического корпуса 21, их осевая ориентация, как проиллюстрировано на чертеже, является типичной для реализаций предшествующего уровня техники. Будучи расположены подобным образом, полюсные магниты 41, 61 генерируют круговое или поперечное магнитное поле относительно стенки трубы, как проиллюстрировано путями 81 магнитного потока, и требуется множество участков намагничивающего устройства, чтобы обеспечить полное покрытие внутренней поверхности стенки трубы.

Ссылаясь на фиг.2-6, узел 20 наклонного намагничивающего устройства согласно изобретению включает в себя магнитную цепь 40, содержащую два спиральных полюсных магнита 41, 61, расположенных под углом 180° друг напротив друга на цилиндрическом корпусе 21 прибора. Каждый полюсный магнит 41, 61 продолжается между первым концом 23 и вторым концом 25 цилиндрического корпуса 21 прибора. Также могут быть задействованы дополнительные пары спиральных полюсных магнитов 41, 61, при этом каждый спиральный полюсный магнит 41 или 61 продолжается между концами 23, 25 цилиндрического корпуса 21 прибора и отнесен на 360°/n от соседнего и противолежащего полюсного магнита 61, 41 (величина «n» равна числу задействованных полюсных магнитов). Полюсные магниты 41, 61 предпочтительно имеют гибкую, или податливую, верхнюю поверхность 49, 69, соответственно, способствующую уменьшению сил трения и сведению к минимуму воздействия скорости в процессе перемещения узла 20 наклонного намагничивающего устройства по внутренней части трубы. Податливая верхняя поверхность 49, 69 также позволяет узлу 20 намагничивающего устройства в достаточной степени сжиматься, чтобы преодолевать внутренние препятствия, изгибы и сужающиеся участки трубы, которые, в противном случае, могли бы повредить узел 20 намагничивающего устройства, а также замедлить его прохождение или вовсе воспрепятствовать ему.

Величина поворота полюсных магнитов 41, 61 зависит от величины поворота, требуемой для полного покрытия внутренней поверхности стенки трубы. Если последовательно рассмотреть фиг.2-6, то для каждого из полюсных магнитов 41, 61 поворот, или закручивание по спирали, постепенно возрастает, для номинального поворота приблизительно в 150 градусов (фиг.6). Будучи повернут, второй конец 45, 65 полюсного магнита 41, 61 отнесен на заданный угол или заданную величину α относительно соответствующего первого конца 43, 63 (см. фиг.7). Из-за данной величины поворота α соответствующая продольная осевая линия 47, 67 каждого спирального полюсного магнита 41, 61 не параллельна продольной оси 27 цилиндрического корпуса 21 прибора. Поворот полюсных магнитов 41, 61 также помогает вызвать достаточную степень вращения узла 20 намагничивающего устройства при прохождении его через внутреннюю часть трубы.

Фиг.8 иллюстрирует магнитное поле 80, генерируемое прототипом узла 20 наклонного намагничивающего устройства, конструкция которого аналогична узлу 20 наклонного намагничивающего устройства, показанного на разных стадиях поворота на фиг.2-6. В отличие от приборов линейного контроля предыдущего уровня техники, направление магнитного поля 80 диагональное, или наклонное, относительно оси трубы, а не круговое или поперечное, при этом линия 81 магнитного потока выходит из полюсов 41, 61 и идет в противоположных направлениях, достигая соответствующего полюса 61, 41. Линии 81 магнитного потока, генерируемого каждым полюсным магнитом 41, 61, направляются по пути наименьшего сопротивления: в стенку трубы и к соседнему полюсному магниту 61, 41. Угол магнитного поля 80 в общем случае перпендикулярен линиям магнитного потока 81, образуемого магнитными полюсами 41, 61, и параллелен линии кратчайшего расстояния между магнитными полюсами 41, 61. Направление магнитного поля 80 участка наконечников полюсов 41, 61 может варьироваться от 30 до 60 градусов относительно оси трубы.

Если посмотреть на Фиг.9-10, узел 20 наклонного намагничивающего устройства может включать в себя группу 90 датчиков в форме винта, по существу, равноудаленную от повернутых полюсных магнитов 41, 61 и расположенную так, чтобы обеспечить полное покрытие внутренней стенки W трубы Р, и приспосабливающуюся к любому повороту узла 20 намагничивающего устройства, который может произойти. Отдельные датчики в группе 90 датчиков могут быть хорошо известными в данной области техники датчиками для обнаружения сигналов рассеяния магнитного потока. Группа 90 датчиков предпочтительно продолжается между первым концом 23 и вторым концом 25 цилиндрического корпуса 21 (и, следовательно, между соответствующими концами 43, 45 и 63, 65 полюсных магнитов 41, 61) и имеет некоторую степень взаимного перекрытия ∆ между первым концом 91 и вторым концом 93 группы 90 датчиков. Податливые верхние поверхности 49, 69 полюсных магнитов 41, 61 (см., например, Фиг.6) могут быть выполнены в форме щеток 51, 71. Радиальные диски 31А и 31В помогают приводить в движение и центрировать узел 20 намагничивающего устройства в процессе его перемещения вперед по трубе Р под действием перепада давления.

Окончательная компоновка узла 20 намагничивающего устройства может включать в себя любые существующие сочетания наборов данных, включая, но не ограничиваясь такими данными, как деформация, высокоуровневое осевое MFL, внутренняя/внешняя селективность, инерциальные данные для наложения, а также низкоуровневое или остаточное MFL. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления прибора 10 линейного контроля, включающего в себя узел 20 наклонного намагничивающего устройства, прибор 10 включает в себя осевое намагничивающее устройство 100 и участок 110 определения деформации (см. Фиг.11).

Хотя прибор MFL, включающий в себя наклонное намагничивающее устройство и группу винтовых датчиков, был описан довольно подробно, в детали конструкции и расположение элементов можно вносить множество изменений без отступления от идеи и объема изобретения. Конструкция прибора MFL, согласно данному описанию, следовательно, ограничена только объемом прилагаемой формулы изобретения, включая весь диапазон эквивалентов, которые имеет каждый элемент.