УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАМАГНИЧИВАНИЯ СТЕНОК ТРУБ ДЕЙСТВУЮЩИХ ТРУБОПРОВОДОВ

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к устройствам для внутритрубной диагностики состояния стенок труб нефте-, газо-, продуктопроводов, и может быть использовано в магнитных внутритрубных дефектоскопах при диагностике действующих газопроводов.

Известны внутритрубные магнитные снаряды-дефектоскопы фирмы Лайналог, поисковая секция которых содержит намагничивающее устройство, состоящее из электромагнита и проволочных стальных щеток на полюсах электромагнита (А.А.Абакумов, А.А.Абакумов (мл.) Магнитная диагностика газонефтепроводов. - М.: Энергоатомиздат, 2001. 400 с.; ил., с.389, рис.12.2.).

Недостатками известного устройства является зависимость от толщины стенки трубы перепада давления, создающего силу, движущую снаряд.

При вхождении дефектоскопа в трубу с большей толщиной стенки стальные щетки отжимаются к корпусу дефектоскопа на величину, равную приращению толщины стенки трубы, в результате чего возрастает сила давления щетки на стенку трубы и, соответственно, возрастает сила трения щеток о стенку трубы. В этом случае требуется больший перепад давления для движения дефектоскопа. При вхождении дефектоскопа в равнопроходной тройник, у которого имеется боковой отвод диаметром, равным диаметру основного продольного сечения трубы, а толщина стенки достигает 25 мм и более, перепад давления на тянущей манжете дефектоскопа резко убывает, в результате чего возможны остановки дефектоскопа. Начало движения дефектоскопа в таком случае возможно только при увеличении напора газа, подаваемого от нагнетающей компрессорной станции. Движение может начаться с резким скачком скорости. Резкая неравномерность движения дефектоскопа приводит к искажению записываемой информации, так как стенка трубы не промагничивается при высоких скоростях движения магнитной системы..

Известен «Магнитный проходной дефектоскоп» (Клюев.В.В., Жукова Г.А., Хватов Л.А. Патент РФ №2144182 7 G01N 27/87, Патенты РФ №1, 2000 г.), включающий цилиндрическое основание с опорными узлами, блок энергоснабжения, блок регистрации информации, блок измерения скорости перемещения и источник магнитного поля, блок фиксации магнитных потоков рассеяния от дефектов в стенках труб с размещенными на цилиндрическом основании блоками поперечного намагничивания и съема информации системы опроса, с возможностью намагничивания (трубы) в двух кольцевых сечениях со смещением πd/2n (одного кольца относительно другого) участками с попарно встречными направлениями магнитного поля в каждом сечении, где n - число пар полюсов, блок регистрации информации включает модуль предварительной обработки и модуль накопления, снабжен часовым механизмом с кварцевым генератором и системой опроса измерительных каналов с фиксированной частотой, устройство снабжено дистанцирующими узлами, выполненными из материала с низким коэффициентом истирания и армированными стержнями из магнитомягкого материала с остаточной индукцией, равной остаточной индукции источника магнитного поля, блок энергоснабжения включает генераторы.

В качестве полюсных наконечников в известном дефектоскопе используются стальные щетки, выполненные с использованием стальных игл диаметром около 1-1,5 мм. Количество игл в зависимости от размеров дефектоскопа и его типа достигает нескольких десятков тысяч штук.

Недостатком известного устройства является зависимость перепада давления газа, движущего дефектоскоп, от толщины стенки трубы, так как для начала движения дефектоскопа в трубопроводе необходимо преодолеть большую силу трения, создаваемую стальными щетками, угол отгибания которых зависит от толщины стенки трубы (труба утолщается внутрь при сохранении наружного размера), в результате чего увеличивается сила прижатия щеток к стенке трубы и щетки врезаются с большим усилием в металл стенки трубы, увеличивая сопротивление движению дефектоскопа.

Для дефектоскопов с поперечным намагничиванием требуется установка в намагничивающем устройстве полюсных наконечников с минимальным магнитным сопротивлением, так как растекание магнитного потока в стенке трубы, намагничиваемой в поперечном направлении, сильно возрастает и необходимо сократить потери в полюсных наконечниках. Если использовать щетки из стальной проволоки, то их магнитную проводимость можно увеличить только увеличением числа проволок, то есть увеличением коэффициента заполнения объема щетки металлом. В этом случае щетка становится жесткой, что ухудшает условия прохождения дефектоскопа через сужения внутри трубопровода, а иногда и приводит к пластической деформации щетки.

Вторым недостатком известного устройства является невозможность обеспечить одновременно малое магнитное сопротивление щеток и их малую жесткость.

Наличие большой силы трения требует создания большого перепада давления для обеспечения условий движения снаряда-дефектоскопа в трубопроводе и препятствует свободному движению дефектоскопа при прохождении узкостей, например тройников, имеющих утолщенную внутрь трубы стенку. При подходе к тройнику дефектоскоп с такими щетками входит в тройник и заклинивается в нем. Остановка длится до тех пор, пока толкающее давление не возрастет, иногда в несколько раз. После достижения давлением значений, обеспечивающих начало движения, дефектоскоп скачком набирает высокую скорость и пробегает внутри трубы несколько десятков (а иногда и сотен) метров с большой скоростью, а затем тормозится. Участки движения с высокой скоростью не могут быть надежно диагностированы из-за сильного влияния вихревых токов, не позволяющих глубоко промагнитить стенку трубы. В этом случае появляются участки трубы, не подвергнутые диагностике.

Кроме того, из-за остановок дефектоскопа снижается производительность диагностического контроля.

Для устранения названных недостатков необходимо сделать более мягкой стальную щетку полюсных наконечников.

Щетка, используемая в качестве полюсного наконечника, может быть сделана менее жесткой уменьшением коэффициента заполнения ее металлом. При этом щетка должна содержать меньшее количество стальных игл с меньшим их сечением. Уменьшение коэффициента заполнения щеток увеличивает магнитное сопротивление щетки и снижает величину магнитного поля в контролируемой стенке трубы, а снижение магнитного сопротивления щетки увеличением поверхности полюсов недопустимо из-за ограничений, накладываемых на габариты дефектоскопа. Попытки увеличить длину щетки при одновременном увеличении их плотности для дефектоскопов малых диаметров вообще неприменимы из-за отсутствия места, так как большая часть сечения трубы занята магнитами и ярмом магнитопровода.

Наиболее близким к предлагаемому является приставное намагничивающее устройство ( Козлов B.C. Техника магнитографической дефектоскопии. Минск: Вышэйшая школа, 1976, 256 с. §4.2, с.118), состоящее из двухполюсного электромагнита, подвижных полюсных наконечников в виде стержней, вставленных в каждом из полюсов и снабженных каждый своей выталкивающей пружиной. Выбором соответствующего сечения и количества стержней в полюсах можно обеспечить требуемое магнитное сопротивление полюсных наконечников такого типа. Подвижность стержней позволяет обеспечить соприкосновение каждого стержня с определенным участком поверхности намагничиваемого тела, имеющего сложную неплоскую форму. Достоинством известного устройства является то, что его можно выполнить с небольшим усилием прижатия стержней к стенке обследуемой трубы.

Намагничивающая система, требуемая для внутритрубного магнитного дефектоскопа должна иметь контакт с внутренней цилиндрической поверхностью трубы, что позволяет применить известное устройство.

Недостатком известного устройства является ограниченность эксплуатационных характеристик, состоящая в невозможности эксплуатации его на подвижном объекте: при встрече со ступенчатым препятствием, образующимся при переходе с трубы, имеющей малую толщину стенки, на трубу с большей толщиной стенки, а также при переходе от трубы к тройнику или крану, где наблюдается резкий ступенчатый перепад толщин до 15-20 мм, известное устройство повреждается из-за пластической деформации (отгибания) стержней и перестает выполнять свои функции.

Цель изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик намагничивающего устройства.

Указанная цель достигается тем, что в намагничивающем устройстве, состоящем из ярма магнитопровода, нескольких постоянных магнитов и соответствующего числа полюсных наконечников, состоящих из основания, подвижных пластин и выталкивающих пружин, пружины выполнены как отрезки троса, основание полюсного наконечника выполнено в виде стального параллелепипеда с пазами, ориентированными вдоль направления движения дефектоскопа, подвижные пластины выполнены в виде параллелепипедов с внутренней полостью, открывающейся круглым отверстием в передней части, расширяющимся в теле пластины до принятия овальной формы в сечении на выходе, причем в один паз основания полюсного наконечника вставлено несколько подвижных пластин, и каждая пластина прикреплена во входном отверстии к проходящему через тело пластины тросу, первый конец которого закреплен в головной части основания полюсного наконечника, а второй конец троса закреплен в хвостовой части основания полюсного наконечника.

Анализ найденных в результате поиска патентных, информационных и каталожных материалов по фондам областной универсальной научно-технической библиотеки г.Саратова позволяет сделать вывод, что предлагаемое изобретение не известно из уровня техники, т.е. оно является новым.

Кроме того, предлагаемое устройство не следует явным образом из анализируемых источников, т.е. имеет изобретательский уровень. Рассматриваемое техническое устройство востребовано практикой, так как при обследовании газопроводов-отводов часто наблюдается застревание снарядов-дефектоскопов на равнопроходных тройниках, причем снаряд дефектоскоп может простаивать в трубе в течение нескольких суток в результате того, что газопровод-отвод работает на газораспределительную станцию, нагруженную на городскую газовую сеть с наравномерным расходом газа и создающую неравномерный отбор газа из трубопровода. Это ведет к потере выгоды предприятием, проводящим диагностику газопровода-отвода: простой снаряда в трубе сокращает возможность выполнения большого объема работ.

Пример.

Для пояснения недостатков известных устройств и преимущества предлагаемого устройства рассмотрим намагничивающую систему внутритрубного дефектоскопа с поперечным намагничиванием на диаметр 720 мм. Для такого дефектоскопа используется в магнитной системе 16 щеток, в каждой из которых содержится по 1700 стальных игл диаметром 1,6 мм.

Общее количество игл равно 27200 штук. При перемещении по ровному участку трубы сопротивление движению равно 1000 кг. При входе в узкость, представленную тройником, сила сопротивления возрастает до 4000-5000 кг.

Вес дефектоскопа 500 кг. При скорости движения 4 м/с количество движения дефектоскопа равно mV=500/9,81·4=203 кг·с

При пропадании толкающей силы ( пропадание отбора газа из газопровода или попадание дефектоскопа на участок с боковым отводом) на дефектоскоп действует импульс тормозящей силы. На участке трубопровода с тормозящей силой 1000 кг время t до остановки дефектоскопа найдется из уравнения сохранения количества движения (импульса силы):

mV=Ft;

t=mV/F=203/1000=0.203 с.

За это время дефектоскоп пройдет отрезок тормозного пути S=Vt/2=4·0,203/2=0,4 м. С таким значением тормозного пробега дефектоскоп останавливается на равнопроходном отводе.

Замена игольчатых щеток на полюсные наконечники предлагаемой конструкции снижает усилие, противодействующее движению.

На ровном участке сила притяжения одной пластины к стенке трубы составляет около 10 кг. Сила сухого трения стальной пластины о стенку стальной трубы определится коэффициентом трения К=0,19. Сила трения одной пластины составит 1,9 кг. На одном полюсном наконечнике, составленном из 6 пластин, сила трения будет 11,4 кг. При общем количестве полюсных наконечников, равном 16, сила трения составит 182,4 кг. При входе в узкость сила прижатия каждой пластины возрастает на 5 кг. Сила трения пластины возрастает на 5×0,19=0.95 кг. Для 16 наконечников, составленных из 6 пластин каждый, сила трения увеличится на 0.95×6×16=91,2 кг. Общее сопротивление перемещению магнитной системы в узкости возрастет до 182,4+91,2=273.6 кг.

При такой величине тормозящей силы время t до остановки дефектоскопа при пропадании толкающей силы будет равно: mV=Ft; t=mV/F=203/273=0.74 с. За это время дефектоскоп пройдет отрезок тормозного пути S=Vt/2=4·0,74/2=1,48 м. Это расстояние превышает длину тройника, что гарантирует прохождение дефектоскопом по инерции расстояния, большего протяженности бокового отвода, где пропадает тянущая сила, и безостановочно выйти на участок, где сечение трубы полностью перекрывается тянущей манжетой. Этим исключаются остановки дефектоскопа на участках с боковыми равнопроходными отводами, в чем проявляется положительный эффект предлагаемого устройства (диаметр отверстия в боковом отводе 700 мм, а тормозной путь дефектоскопа 1480 мм.).

В этом состоит практический промышленный эффект от использования предлагаемого устройства.

Применение намагничивающей системы предлагаемой конструкции в снарядах-дефектоскопах позволит проводить контроль технического состояния стенок труб газопроводов без остановок дефектоскопа на равнопроходных тройниках. Это является подтверждением того, что предлагаемое устройство обладает промышленной полезностью.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показан общий вид устройства, установленного на дефектоскопе для поперечного намагничивания стенки трубы.

Устройство состоит из магнитопровода 1, например, цилиндрической формы, четного количества, например четырех, постоянных магнитов 2, полюсных наконечников, состоящих из основания 3 и подвижных пластин 4, тросиков 5, сенсорных модулей 6, эластичных манжет 7. Полюсные наконечники показаны в скользящем контакте с отрезком трубы 8 и 9. Отрезки трубы 8 и 9 отличаются толщиной. На чертеже видно, что неподвижная часть 3 полюсного наконечника выполнена в виде параллелепипеда с продольными пазами. В пазы основания 3 вставлены подвижно стальные пластины 4, являющиеся подвижной частью полюсного наконечника. Передняя часть каждой пластины имеет отверстие, в которое входит тросик 5, проходящий в расширяющейся полости подвижной пластины и выходящий из нее, а затем входящий в следующую подвижную пластину одного и того же паза. Начало и конец тросика крепятся соответственно в головной и хвостовой частях основания 3 полюсного наконечника. Тросик выбирается такой длины и упругости, чтобы он мог вытолкнуть пластину из пазов полюсного наконечника так, чтобы подвижная пластина могла достигнуть стенки трубы при расположении устройства внутри трубопровода. По мере приближения к стенке трубы пластины начинают притягиваться к стенке силой магнитного поля, замыкающегося по стенке трубы между двумя разноименными полюсами. Сила притяжения подвижной пластины к стенке трубы достаточно велика и сохраняет свою величину практически неизменной при переходе от трубы со стенкой одной толщины к трубе со стенкой другой толщины.

Тросик 5 заделывается в тело подвижной пластины 4 так, что его поверхность в месте его входа в тело пластины 4 практически совпадает с ее внешней гранью. Такое решение позволяет защитить пластину 4 от удара о препятствие при переходе трубы с тонкой стенкой на трубу с толстой стенкой. Тросик 5 начинает отжиматься препятствием к основанию 3 полюсного наконечника и увлекает за собой подвижную пластину 4. После плавного входа на препятствие подвижная пластина 4 утапливается в пазах полюсного наконечника, увлекая за собой ту часть тросика 5, которая выходит из расширенной полости предыдущей подвижной пластины. Тросик 5 имеет возможность изогнуться в полости предыдущей пластины, что дает возможность следующей пластине 4 принимать различные положения в вертикальном направлении плоскости чертежа. При этом в пределах запаса длины тросика 5 возможны некоторые перемещения пластин 4 вдоль направления движения дефектоскопа внутри пазов основания 3 полюсных наконечников. Подвижные пластины могут быть выполнены такой толщины, которая обеспечит желаемый коэффициент заполнения металлом сечения полюсного наконечника. Обычно достаточно коэффициента заполнения 0.25-0.3 (коэффициент заполнения определяется как отношение сечения металла, заполняющего полюсный наконечник, к площади рабочей поверхности магнита данного полюса).

Работает устройство следующим образом.

Намагничивающее устройство крепится на корпусе 1 поисковой секции снаряда-дефектоскопа. Обычно корпус 1 выполняет функции магнитопровода. Дефектоскоп вводится в полость контролируемой трубы 8 и 9. Намагничивающее устройство центрируется внутри трубы с помощью эластичных манжет 7. Под действием упругих сил тросиков 5 подвижные пластины 4 полюсного наконечника выталкиваются из пазов основания 3 в сторону стенки трубы 8 (9) и примагничиваются к ней как у первого полюса, например северного, так и у второго полюса намагничивающей системы. Магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, замыкается по цепи: северный полюс первого магнита, основание полюсного наконечника, боковая часть пазов основания полюсного наконечника, боковая часть подвижных пластин, тело подвижных пластин, верхняя грань подвижных пластин, тело трубы. Поле проходит по телу трубы до второго полюсного наконечника и проходит по телу его подвижной пластины 4, проходит через боковую грань подвижной пластины 5 в боковую грань паза в основании 3, проходит по телу основания 3 и попадает на южный полюс второго магнита. Пройдя по второму магниту, от его северного полюса поле переходит в магнитопровод-ярмо 1, из которого приходит к южному полюсу первого магнита. При намагничивании стенки трубы 8 (9) около ее стенки рассеивается магнитное поле, величина напряженности которого в конкретном месте тем больше, чем тоньше в этом месте стенка. Датчики сенсорного узла 6 преобразуют напряженность поля в электрический сигнал, который поступает на регистратор дефектоскопа (не показано на чертеже).

Магнитная поисковая секция дефектоскопа, и соответственно магнитная поисковая система, вводится в полость трубы 8 (9). Под действием упругой силы тросиков 5 подвижные пластины 4 выталкиваются из пазов в основании 3 полюсного наконечника в сторону стенки трубы 8 (9). Наличие противоположных полюсов магнитов обеспечивает возникновения силы притяжения подвижных пластин 4 каждого из полюсов к стенке трубы 8 (9). В зависимости от размеров намагничивающей системы сила притяжения может достигать единиц или десятков килограммов. Этого достаточно для надежного удержания пластин 4 в механическом контакте со стенкой трубы 8 (9). Пластины 4 имеют возможность скользить с небольшим зазором относительно стенок пазов в основании 3 полюсного наконечника. Под давлением транспортируемого по трубе продукта дефектоскоп начинает двигаться. Сила притяжения пластины 4 к стенке трубы 8 (9) создает силу трения, препятствующую движению пластины 5 вместе с дефектоскопом. Заторможенная силой трения пластина 4 начинает тянуться тросиком 5. Когда сила натяжения тросика 5 превысит силу трения пластины 4 о стенку трубы 8 (9), пластина придет в движение вместе со всем намагничивающим устройством. Между основанием 3 в его пазу и нижней гранью пластины 4 существует большой зазор, позволяющий пластине 4 перемещаться в вертикальной (по чертежу) плоскости на несколько десятков миллиметров. Когда передняя кромка пластины 4 дойдет до трубы 9 с большей толщиной стенки, тросик 5 начнет отжиматься в сторону к основанию 3 полюсного наконечника и будет увлекать за собой соответствующую подвижную пластину 4. При дальнейшем продвижении дефектоскопа в сторону толстостенной трубы пластина 5 будет отжиматься стенкой трубы 9 внутрь паза в основании 3. Так как пластину удерживает в контакте со стенкой трубы 8 и 9 сила магнитного притяжения, то при вдавливании пластины 4 в паз основания 3 увеличения прижимающей силы практически не наблюдается. Сила трения не изменяется и снаряд входит в узкость без дополнительных усилий.