KR20110000527A - 이중 나선형 ｅｍａｔ 센서 어레이를 갖는 파이프라인 검사 도구 - Google Patents

Abstract

파이프라인 검사 도구는 도구 본체의 중심 종축에 대해 경사각으로 배향된 2개의 극 자석을 포함한다. 센서 코일 세트의 어레이는 2개의 극 자석의 대향 에지 사이에 위치되고 중심 종축에 수직으로 배향된다. 각각의 센서 코일 세트는 관형 부재의 벽으로부터 반사를 수신하도록 게이트된 2개의 대향 쌍의 수신기 코일 및 송신기 코일을 포함한다. 센서 코일의 라인은 자기 바이어스 필드에 대해 회전되기 때문에, 수신기 코일은 송신기 코일과 직렬이고 송신기 코일과 동일한 각도 배향을 갖는다. 도구는 소형 결함에 대한 향상된 감도, RF 펄스기 전력 요건의 상당한 감소, 전체 원주방향 커버리지, 전송된 신호의 자체 보정 및 음향 링에 의해 발생되는 송신기 코일 사이의 적은 간섭을 제공한다.

Description

이중 나선형 ＥＭＡＴ 센서 어레이를 갖는 파이프라인 검사 도구{Pipeline Inspection Tool with Double Spiral EMAT Sensor Array}

계류 출원의 참조

본 출원은 2009년 8월 3일 출원된 미국 가출원 제 61/230,879호와, 2009년 6월 26일 출원된 미국 가출원 제 61/220,734호의 우선권을 주장하는 2009년 10월 2일 출원된 미국 특허 출원 제 12/572,752호의 이득을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 튜빙, 파이핑 및 파이프라인 내의 이상을 검출하도록 설계된 검사 도구에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 자속 누설 검출 기술을 이용하는 인라인 검사 도구에 관한 것이다.

다수의 설치된 파이프라인은 주로 금속 손실 이상을 식별하기 위해 자속 누설(MFL)을 사용하여 검사될 수 있다. 자속 누설은 금속 손실 이상의 주축 및 필드각이 변경됨에 따라 파이프라인의 벽 내의 이상에 예측 가능한 방식으로 응답하는 것으로 나타나고 있다. 실험 및 모델링 결과의 모두가 또한 관련 문헌에 광범위하게 설명되어 있는 이 효과를 확인하는데 사용되어 왔다.

데이터 취득, 데이터 저장 및 자기 회로 디자인에 의해 부여되는 제한에 부분적으로 기인하여, 대부분의 인라인 검사 도구는 축방향으로 배열된 자화기(magnetizer)를 이용하고 있다[예를 들어, 쉠프(Schempf) 등의 미국 특허 제 6,820,653 등 참조]. 그러나, 현재의 축방향 필드 자화기 디자인은 극단적으로 좁은 축방향 특징의 식별 및 정량화를 곤란하게 하거나 몇몇 경우에는 불가능하게 한다. 이들 특징 분류에 대해, 원주방향 또는 횡방향에서 자기장을 사용하는 용액이 파이프라인 검사 공급자에 의해 지난 십년에 걸쳐 시판되어 공급되어 왔다. 그러나, 물리적인 특성의 제약에 기인하여, 이들 횡방향 자속 검사(TFI) 도구의 성능 및 정확도는 일반적으로 일반적인 금속 손실 이상을 위한 축방향 필드 도구의 성능 및 정확도보다 낮다.

부가적으로, 이들 TFI 도구는 통상적으로 적당한 커버리지(coverage)를 성취하기 위해 최소 2개의 자화기 조립체를 필요로 하여, 이들 도구를 현존하는 축방향 MFL 도구에 합체하는 것을 불가능하게 하거나 곤란하게 한다.

극단적으로 좁은 금속 손실 특징 또는 특정 분류의 시임 용접(seam weld) 이상을 가질 수 있는 이들 파이프라인에 대해, 표준 축방향 필드 도구는 적당한 검출 및 정량화 능력을 제공하지 않는다. 이들 경우에, MFL 기반 도구에서, 초기 또는 보충 조사가 TFI 도구를 사용하여 수행된다. TFI 도구가 극단적으로 좁은 이상 및 특정 시임 용접 이상을 검출할 수 있지만, 이들은 또한 파이프라인 내에서 통상적으로 발견되는 잔여 체적 금속 손실 특징의 모두를 검출하여, 목표화된 이상 분류를 식별하는 프로세스를 복잡하게 한다.

초기의 TFI 장치 중 하나가 크로우치(Crouch) 등의 미국 특허 제 3,483,466호에 설명되어 있다. 크로우치 특허는 자석의 각 측면에 위치된 자력계(magnetometer) 또는 탐색 코일과 같은 검출기를 갖고 서로 수직으로 배열된 한 쌍의 전자석을 개시하고 있다. 영구 자석 및 홀 디바이스형 센서의 사용 이외에, 크로우치 특허의 장치는 최신식 구현을 위한 기초로서 남아 있다. 부가적으로, 몇몇 디자인은 대부분의 경우에 횡방향 또는 원주방향 필드 검출을 보유하는 분할된 또는 개별의 별개의 자석을 수반한다. 예를 들어, 위어스(Wiers) 등의 미국 특허 제 3,786,684호는 다른 것들에 수직인 각각의 어레이의 필드를 갖고 파이프 축에 경사져서 어레이로 배열된 개별 자석을 개시하고 있다. 그러나, 이 장치는 각각의 개별 자석의 극 사이의 섹션 및 영역에 필드를 제한한다. 더욱이, 위어스형 구현을 위해 요구되는 짧은 극 간격은 자기 회로의 길이를 감소시켜 이에 의해 도구가 속도 효과의 문제점을 겪게 하고 또한 용접부, 오목부에서 데이터 품질을 마스킹하고, 왜곡하거나 열화시키거나 다른 이상을 겪게 한다.

다른 디자인은 복잡한 기하학적 형상, 다수의 자화기 섹션 및 자화기 섹션의 소용돌이형 또는 나선형 움직임을 유도하도록 설계된 나선형 드라이브, 기어 및 휠과 같은 복잡한 기계적인 장치를 포함한다. 예를 들어, 베르니케(Wernicke)의 미국 특허 제 5,565,633호는 2개 이상의 자기 회로 및 과잉의 감지 유닛을 갖는 자화기 섹션과 함께 사용하기 위한 기계적으로 복잡한 디바이스를 개시하고 있다. 일 실시예에서, 자석 블록이 나선형으로 배치된 평행한 극을 갖고 배열된다. 다른 실시예에서, 자석 블록은 축방향으로 변위된 비틀린 극 쌍이다. 양 실시예는 내부 파이프 표면의 완전한 커버리지를 성취하기 위해 기계적으로 유도된 회전을 필요로 한다. 베르니케와 유사하게, 라무아트(Ramuat)의 미국 특허 제 6,100,684호는 섹션의 나선형 움직임을 유도하고 파이프 벽의 중첩 또는 완전한 커버리지를 성취하기 위해 다수의 자화기 섹션 및 복잡한 휠의 배열을 포함하는 실질적으로 횡방향 필드 자화 장치를 개시하고 있다. 톰슨(Thompson) 등의 미국 특허 제 7,548,059호는 파이프 주위에 나선형으로 있는 공칭적으로 횡방향 필드를 생성하기 위해 밀접하게 이격된 쌍으로 배열된 고정 자석을 구비하는 2개의 스키드(극)를 포함한다. 이 도구[지지 텐던(tendon), 풀리 및 스프링과 같은 다양한 이동부를 포함함]는 파이프라인 내의 굴곡부를 수용하기 위해 충분히 가요성이 되도록 훨씬 추가된 복잡성을 필요로 한다. 더욱이, 이 장치의 자석은 2개의 평행한 극 사이에 필드를 유도하여, 개별의 별개의 자석 블록의 극 사이에 단일의 폐루프 회로를 형성한다.

톰슨 등의 특허와 유사하게, 종래 기술에 사용된 자석은 자석 블록을 위해 사용된 순응성 또는 합치 가능한 상부면에 대한 참조 없이 블록으로서 설명되어 있다. 자기 회로에 대한 강성 접촉 장치의 사용은 파이프라인 내에 존재할 수 있는 오목부에서 또는 용접부 및 다른 업셋을 따른 자기장 경로 내에 공기 갭 또는 가변적인 자기 저항 구역을 도입함으로써 데이터 품질을 열화시킨다. 소정의 특징의 분류에서, 주위의 필드 내에 생성된 방해물은 관심의 특징에 기인하여 존재하는 자속 누설 신호를 마스킹하거나 다른 방식으로 왜곡한다. 오목부 및 용접 구역 내에 존재하는 임의의 자기 이상은 이들 구역 내의 이들의 존재에 기인하여 큰 중요성을 갖고, 이와 같이 데이터 품질이 중요한 영역을 표현한다.

부가적으로, 종래 기술은 파이프 벽 표면에 대해 친밀 접촉 배열의 다수의 극 또는 표면의 사용을 필요로 한다. 이 배열은 자화기 조립체에 의해 경험되고 있는 움직임에 대한 극도로 높은 마찰력 또는 저항을 초래하여, 이에 의해 낮은 마찰을 필요로 하는 용례에서 그 사용을 억제하거나 방해한다.

전술된 바와 같이, 파이프라인 조작자는 주로 금속 손실 이상을 식별하기 위해, 자속 누설(MFL) 기술을 사용하여 다수의 설치된 파이프라인을 현재 검사할 수 있다. 그러나, 소정의 이상의 분류에서, MFL 기술에 사용되는 현재의 축방향 필드 자화기 디자인은 극단적으로 좁은 균열 또는 균열형 축방향 특징의 검출 및 정량화를 곤란하게 하거나 몇몇 경우에는 불가능하게 한다. 이들 특징의 검출 및 정량화를 가능화하기 위해, 음파(초음파)를 이용하는 대안적인 기술이 연구되어 이용되어 왔다. 이들 음파는 통상적으로 외부 압전 트랜스듀서 또는 전자기 음향 트랜스듀서(EMAT)에 의해 생성된다.

EMAT 구현예는 일반적으로 2개의 기본 형태, 즉 로렌츠 및 자기 변형 중 하나이다. 양 유형은 외부 자기 바이어스 필드가 존재하는 것을 요구한다. 로렌츠형 EMAT에서, 자기 바이어스 필드는 파이프 벽에 수직이고 파이프 벽 내의 에지 전류 유도 경로 또는 스트레인과 상호 작용한다. 자기 변형형 EMAT는 파이프 벽 평면, 축방향 또는 원주방향에 있는 자기 바이어스 필드를 사용하고, 자기 유도 스트레인과 상호 작용한다.

비파괴 검사 산업에서, 자기 바이어스 필드가 EMAT의 센서 코일 전도체에 대해 경사져 있을 때 강철 내의 자기 변형이 전단 수평(SH) 음파를 발생하는데 훨씬 더 효율적이라는 것이 알려져 있다. 이 결과는 본 명세서에 개시된 본 발명에 따른 EMAT 센서 어레이의 초기 전개 중에 발명자들에 의해 검증되어 있다. 연구 중에, 시험 플레이트 내로 가공된 다수의 노치가 축방향으로 배향된 자기 바이어스 필드를 사용하여 검출 가능하지 않다는 것이 발견되었다. 이동축 및 EMAT 센서에 대해 자기 바이어스 필드각을 회전시키는 것은 측정된 신호의 대략 20 데시벨의 증가를 제공한다. 이 배열은 전자 노이즈에 비교하여 훨씬 큰 신호 응답을 생성하여, 비교적 균일한 기준선 위의 명료한 균열 지시를 초래한다.

따라서, 자기장에 대해 경사져서 설정되어 있는 EMAT 센서 코일을 사용하는 SH 파 용례는 일반적으로, 필드 평면 라인이 센서 코일 전도체에 평행한 용례에 대해 우수하다[예를 들어, 로젠 스위스 아게(Rosen Swiss AG)에 양도된 DE 특허 출원 공보 제 10/2007/0058043호 참조]. 응력 부식 균열(SCC)의 검출 및 정량화는 이 기술에 의해 목표화된 이상의 주요 형태 중 하나이다. 통상적으로 축방향으로 배향되어 있는 SCC에 부가하여, 원주방향으로 배향되어 있는 둘레 용접부(girth weld)가 균열형 특징을 나타내는 것으로 알려져 있다. 따라서, EMAT 시스템이 전체적으로 효과적이 되게 하기 위해, 축방향 및 원주방향 배향 특징의 검출에 즉시 채택 가능한 방법이 요구된다.

종래의 인라인 검사 도구는 파이프의 축에 평행한 방향으로 파이프를 자화시키기 위해 영구 자석의 환형 어레이를 사용한다. 자기 바이어스 필드와 센서 코일 사이의 유리한 각도를 얻기 위해, 센서 코일은 파이프 축을 향해 회전된다[알러스(Alers) 등의 캐나다 특허 출원 CA 2,592,094호 참조]. SH 파는 이 동일한 각도로 축방향으로 배향된 SCC의 평면 상에 충돌한다. 따라서, SCC로부터의 SH 파 반사는 단지 송신기 코일에 측방향으로 위치되어 이를 향해 회전되어 있는 수신기 센서 코일에 의해서만 효과적으로 검출된다. 또한, 코팅 접착분리(disbond)의 검출을 위해 사용된 감쇠 측정은 송신기 코일에 대각선으로 위치되고 송신기 코일을 향해 회전되어 있는 수신기 코일을 사용한다. 이들 감쇠 수신기 코일은 원주방향으로 시프트되어 이들이 전송된 파와 직렬이 되게 한다. 수신된 신호 진폭의 상당한 증가가 코팅 접착분리의 지시이다.

기계적으로 복잡한 구조에 대한 요구 없이 내부 파이프 벽 표면의 완전한 커버리지를 제공하고 축방향 또는 원주방향으로 배향된 체적 특징 및 코팅 접착분리를 검출하기 위해 EMAT 센서와 함께 사용될 수 있는 필드를 생성하는 EMAT 도구에 대한 요구가 존재한다.

본 발명에 따라 제조된 파이프라인 검사 도구는 도구 본체의 외부면 둘레에 배열되고 도구 본체의 중심 종축에 경사지게 배향된 적어도 2개의 극 자석을 포함한다. 센서 어레이는 2개의 극 자석의 대향하는 에지 사이에 제공된다. 센서 어레이는 도구 본체의 종축에 대해 극 자석과는 상이한 각도에 배향된 센서 코일의 라인 또는 세트를 포함한다. 따라서, 센서 어레이는 극 자석에 의해 생성된 자기 바이어스 필드에 대해 경사져 있다. 극 자석 및 센서 어레이는 도구 본체의 길이로 각각 연장되고 대략 나선형 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 센서 코일 세트는 도구 본체의 종축에 수직이지만, 검출될 이상의 형태에 따라, 도구 본체의 종축에 평행하게 배열될 수도 있다.

각각의 센서 코일 세트는 대응 센서 코일 세트에 180°대향하여 놓일 수 있고, 대향 센서 코일 세트의 부분은 도구의 공통 원주방향 밴드 내에 포함된다. 도구 본체의 동일한 측면에 놓인 센서 코일 세트는 서로로부터 오프셋되어, 일반적으로 경사 배향된 극 자석의 대향 에지들 사이에서 상기 대향 에지들로부터 등간격으로 이격되어 존재한다. 센서 코일의 각각의 세트는 적어도 하나의 송신기 코일 및 적어도 2개의 대향 쌍의 수신기 코일을 포함한다. 각각의 쌍 내의 하나의 수신기 코일은 RD 수신기 코일일 수 있고, 다른 수신기 코일은 RA 수신기 코일일 수 있다. 센서 코일 세트는 자기 바이어스 필드에 대해 회전되기 때문에, 수신기 코일은 송신기 코일과 직렬이고, 송신기 코일과 동일한 각도 배향을 갖는다. 달리 말하면, 수신기 코일은 송신기 코일에 평행하게 배향되고, 송신기 코일에 대해 대각선으로 시프트되거나 회전될 필요가 없다.

송신기 코일은 검사되는 관형 부재의 벽에 충돌하여 수신기로 재차 이동하는 톤 버스트(tone burst) 또는 신호를 전송한다. 수신기 코일은 송신기 코일에 대해 이격되어, 송신기 코일에 의해 전송된 신호가 수신기 코일에 의해 반사된 신호의 검출을 마스킹하지 않도록 한다. 각각의 수신기 코일은 목표화된 샘플링 구역 내에 이들 반사된 신호(정규화될 수 있음)를 수신하고 관형 부재 내의 이상을 검출하도록 게이트된다. 다음에, 송신기는 제 1 신호가 관형 부재의 원주 주위에서 미리 결정된 횟수만큼 이동한 후에 제 2 신호를 전송할 수 있다. 경사 배향된 자석에 대한 센서 코일 세트의 배향에 의존하여, 센서 어레이는 축방향 및 원주방향의 모두에서 벽 이상을 검출할 수 있다.

본 발명의 목적은 자속 누설 신호를 생성할 수 있는 광범위한 이상에 응답하는 자속 누설(MFL) 도구를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 다수의 자화기 섹션, 자화기 또는 공칭의 축방향 배향 특징의 검출을 성취하기 위한 센서 또는 섹션 사이의 상대 움직임의 요구 없이 단일의 자화기를 사용하여 내부 파이프 벽의 360°커버리지를 가능하게 하는 MFL 도구를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 파이프 벽 내의 균열의 누락의 가능성을 감소시키고 소형 결함에 대한 향상된 감도, 즉 최대 신호 진폭의 20 db 증가를 갖는 EMAT 어레이를 MFL 도구에 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 RF 펄스기 전력 요건의 상당한 감소를 요구하는 EMAT 어레이를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 송신기 코일에 가장 근접한 수신기 코일을 사용하여 전송된 신호의 자체 보정을 포함하는 EMAT 어레이를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 음향 링에 의해 발생된 송신기 사이의 적은 간섭을 경험하는 EMAT 어레이를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 도구는 소형 결함에 대한 향상된 감도, RF 펄스기 전력 요건의 상당한 감소, 전체 원주방향 커버리지, 전송된 신호의 자체 보정 및 음향 링에 의해 발생되는 송신기 코일 사이의 적은 간섭을 제공한다.

도 1은 축방향으로 배향된 자화기 디자인의 등각도로서, 자기장의 방향이 파이프의 종축에 대해 원주방향 또는 횡방향인 등각도.
도 2는 나선형 자석 극 디자인을 이용하는 본 발명에 따른 경사형 자화기 조립체의 실시예의 등각도로서, 극 자석은 약 30°로 회전되거나 나선형 형태이고, 가요성 또는 합치 가능한 상부면을 포함하는 등각도.
도 3은 극 자석이 약 60°회전되어 있는 경사형 자화기 조립체의 다른 실시예의 도면.
도 4는 극 자석이 약 90°회전되어 있는 경사형 자화기 조립체의 또 다른 실시예의 도면.
도 5는 극 자석이 약 120°회전되어 있는 경사형 자화기 조립체의 또 다른 실시예의 도면.
도 6은 극 자석이 약 150°회전되어 있는 경사형 자화기 조립체의 또 다른 실시예의 도면.
도 7은 나선형 형태 또는 회전된 극 자석의 2개의 단부 사이의 관계를 도시하는 경사형 자화기 조립체의 다른 실시예의 단부도로서, 이 예에서, 극 자석은 약 135°회전되고, 각각의 극 자석의 합치 가능한 상부면은 강모(bristle) 또는 브러시형 표면을 포함하는 단부도.
도 8은 경사형 자화기 배열로부터의 필드 결과를 도시하는 도면으로서, 필드 방향은 파이프의 종축에 대해 대각선이거나 경사져 있는 도면.
도 9는 내부 파이프 벽 표면의 완전한 커버리지를 제공하고 발생할 수 있는 임의의 도구 회전을 수용하기 위한 중첩각을 포함하는 자화기의 일 단부로부터 다른 단부로 장착된 나선형 센서 어레이를 포함하는 경사형 자화기 조립체의 실시예의 도면.
도 10은 파이프 섹션 내에 포위된 도 8의 경사형 자화기 조립체의 도면.
도 11은 경사형 자화기 조립체, 축방향 자화기 및 변형 감지 섹션을 포함하는 인라인 검사 도구의 도면.
도 12는 2개의 경사 배향된 극 자석 사이에 위치된 EMAT 센서 코일의 2개의 라인 또는 세트를 포함하는 센서 어레이의 일 측면을 도시하는 개략도로서, 각각의 센서 코일은 수신기 코일의 쌍 사이에 위치된 2개의 쌍의 수신기 코일 및 송신기 코일을 포함하고, 세트는 인라인 검사 도구의 중심 종축에 수직으로(따라서, 검사되는 관형 부재의 중심 종축에 수직으로) 정렬되고, 세트 내의 각각의 코일은 세트 내의 다른 코일과 공통 중심선을 공유하는 개략도.
도 13은 24 인치 직경 관형 부재에 적용된 상태의 도 12의 EMAT 센서 코일 장치를 갖는 센서 어레이의 일 측면의 도면.

본 발명에 따라 제조된 자속 누설(MFL) 도구의 바람직한 실시예가 이제 도면 및 도면에 도시된 이하의 요소를 참조하여 설명될 것이다.

먼저 도 1을 참조하면, N극 자석(41) 및 S극 자석(61)이 원통형 도구 본체(21) 상에 서로 약 180°대향하여 배열되어 각각의 극 자석(41, 61)의 각각의 종방향 중심선(47, 67)이 원통형 도구 본체(21)의 종방향 중심선에 평행하게 된다(따라서, 검사되는 파이프의 중심 종축에 평행함). 극 자석(41, 61)은 예를 들어 각각의 자석(41, 61)이 원통형 본체(21)의 전체 길이를 따라 연장되는 점에서 종래의 구현예와는 상이하지만, 본 명세서에 설명된 바와 같이 이들의 축 배향은 종래의 구현예와 같다. 이 방식으로 배열되어 극 자석(41, 61)은 파이프 벽에 대해 원주방향 또는 횡방향 자기장을 생성하고[자속 경로(81)에 의해 도시된 바와 같이], 다수의 자화기 섹션이 파이프의 내부벽 표면의 완전한 커버리지를 제공하도록 요구된다.

이제, 도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 경사형 자화기 조립체(20)는 원통형 도구 본체(21) 상에 서로 180°대향하여 배열된 2개의 나선형 극 자석(41, 61)을 갖는 자기 회로(40)를 포함한다. 각각의 극 자석(41, 61)은 원통형 도구 본체(21)의 제 1 단부(23)와 제 2 단부(25) 사이로 연장한다. 부가의 쌍의 나선형 극 자석(41, 61)이 또한 이용되고, 각각의 나선형 극 자석(41 또는 61)은 원통형 도구 본체(21)의 단부(23, 25) 사이로 연장하고 그 인접한 대향 극 자석(61, 41)으로부터 360°/n 이격된다["n"은 이용된 극 자석(41, 61)의 수와 같음]. 극 자석(41, 61)은 바람직하게는 경사형 자화기 조립체(20)가 파이프의 내부를 통해 이동할 때 마찰력을 감소시키고 속도 효과를 최소화하는 가요성 또는 합치 가능한 상부면(49, 69)을 각각 갖는다. 합치 가능한 상부면(49, 69)은 또한 자화기 조립체(20)에 손상을 주거나 그 통과를 느리게 하거나 방해할 수 있는 파이프 내의 내부 장애물, 굴곡부 및 감소부를 통과하기 위해 충분한 양으로 자화기 조립체(20)가 압축되는 것을 허용한다.

극 자석(41, 61)의 회전량은 내부 파이프 벽 표면의 전체 커버리지를 성취하는데 요구되는 회전량에 의존한다. 도 2 내지 도 6으로부터의 순서로 진행하면, 극 자석(41, 61)은 약 150도의 공칭 회전에 대해(도 6에 도시된 바와 같이) 증분량으로 각각 회전되거나 나선형 형태로 된다. 회전시에, 극 자석(41, 61)의 제 2 단부(45, 65)는 그 각각의 제 1 단부(43, 63)(도 7 참조)에 대해 미리 결정된 각도 또는 양(α)만큼 오프셋된다. 이 회전량(α)에 기인하여, 각각의 나성형 극 자석(41, 61)의 각각의 종방향 중심선(47, 67)은 원통형 도구 본체(21)의 중심 종축(27)에 평행하지 않다. 극 자석(41, 61)의 회전은 또한 파이프의 내부를 통해 이동할 때 자화기 조립체(20)의 충분한 양의 회전을 유도하는 것을 돕는다.

도 8은 도 2 내지 도 6의 회전 순서로 도시된 자화기 조립체(20)와 유사하게 구성된 경사형 자화기 조립체(20)의 전형으로부터 생성된 자기장(80)을 도시한다. 종래의 인라인 검사 도구와는 달리, 자기장(80)의 방향은 원주방향 또는 횡방향보다는 파이프 축에 대각선 또는 경사져 있고, 자속 경로(81)는 극(41, 61)으로부터 나와 대응 극(41, 61)에 도달하도록 대향 방향으로 이동한다. 각각의 극 자석(41, 61)에 의해 생성된 자속 라인(81)은 최소 저항의 경로로 파이프 벽 내로 인접한 극 자석(61, 41)을 향해 안내된다. 자기장(80)의 각도는 일반적으로 자극(41, 61)에 의해 형성된 자속 라인(81)에 수직이고, 일반적으로 자극(41, 61) 사이에 최단 거리를 형성하는 라인에 평행하다. 극(41, 61)의 연장부 내의 자기장(80)의 방향은 파이프 축에 대해 30 내지 60도의 범위일 수 있다.

이제, 도 9 및 도 10을 참조하면, 경사형 자화기 조립체(20)는 회전된 극 자석(41, 61) 사이에 실질적으로 등간격으로 위치되어 파이프(P)의 내부벽 표면(W)의 완전한 커버리지를 제공하고 발생할 수 있는 자화기 조립체(20)의 임의의 회전을 수용하도록 배열된 나선형 센서 어레이(90)를 포함할 수 있다. 센서 어레이(90) 내의 개별 센서는 자속 누설 신호를 검출하기 위해 종래에 공지된 종류일 수 있다. 센서 어레이(90)는 바람직하게는 원통형 본체(21)의 제 1 단부(23)와 제 2 단부(25) 사이[따라서, 극 자석(41, 61)의 각각의 단부(43, 45 및 63, 65) 사이]로 연장하고, 센서 어레이(90)의 제 1 단부(91)와 제 2 단부(93) 사이에 소정 정도의 중첩(Δ)을 포함한다. 극 자석(41, 61)(도 6 참조)의 합치 가능한 상부면(49, 69)은 브러시(51, 71)의 형태일 수 있다. 반경방향 디스크(31A, 31B)는 차압 하에서 파이프(P) 내에서 전방으로 이동할 때 자화기 조립체(20)를 추진하여 중심 설정하는 것을 돕는다.

경사형 자화기 조립체(20)의 최종 구성은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 변형, 고레벨 축방향 MFL, 내부/외부 식별, 맵핑을 위한 관성 데이터 및 저레벨 또는 잔류 MFL을 포함하는 데이터 세트의 임의의 현재 조합을 포함할 수 있다. 경사형 자화기 조립체(20)를 포함하는 인라인 검사 도구(10)의 일 바람직한 실시예에서, 도구(10)는 축방향 자화기(100) 및 변형 감지 섹션(110)(도 11 참조)을 포함한다.

이제, 도 12 및 도 13을 참조하면, 센서 어레이(90)는 경사 배향된 영구 극 자석(41, 61)의 대향 에지(42, 62) 사이에 위치된 전자기 음향 트랜스듀서(EMAT) 센서 코일(95, 97, 98)을 포함한다. 센서 코일(95, 97, 98)은 바람직하게는 각각의 센서 코일 세트 중심축(99a 내지 99e)에 의해 규정된 바와 같이 센서 코일 라인 또는 세트(94a 내지 94e) 내에 배열된다. 각각의 중심축(99a 내지 99e)은 일반적으로 다른 축(99a 내지 99e)에 평행하고 원통형 도구 본체(21)의 중심 종축(27)에 대해 미리 결정된 각도(

)에 배향된다. 센서 코일 세트(94a 내지 94e)에 실질적으로 동일한 센서 코일 세트(미도시)의 세트가 센서 코일 세트(94a 내지 94e)에 약 180°대향하여 원통형 도구 본체(21)의 대향 외부면에 배열된다.

경사 배향된 극 자석(41, 61)은 일반적으로 중심 종축(27)에 대해 각도(β)에 있고, 각도(β)는 각도(

)와는 상이하다. 극 자석(41, 61)에 의해 생성된 자속 라인(81)은 극 자석(41, 61)의 에지(42, 62)에 일반적으로 수직이기 때문에, 자기장(80)은 중심 종축(21)에 대해 각도(ε)로 회전되고, 따라서 센서 코일 세트(94a 내지 94e)에 대해 경사진다. 바람직한 실시예에서, 각도(

)는 약 90°이고, 각도(β)는 약 45°이고, 각도(ε)는 약 45°이다.

원통형 도구 본체(21)의 중심 종축(27)에 수직으로(따라서, 파이프 축에 수직으로) 센서 코일 세트(94a 내지 94e)를 배열함으로써, 센서 어레이(90)가 축방향 및 원주방향의 모두에서 특징을 검출할 수 있게 한다. 송신기 코일(95)은 파이프 주위에 원주방향으로 이동하고 축방향 배향된 균열에 직각으로(수직으로) 충돌하는 SH 파(96)를 생성한다. 원통형 도구 본체(21)의 중심 종축(27)에 평행하게(따라서, 파이프 축에 평행하게) 센서 코일 세트(94a 내지 94e)를 배열하는 것은 센서 어레이(90)가 원주방향에서의 특징을 검출할 수 있게 한다. 전단 수평 파(96)가 축방향으로 파이프 벽을 따라 전송되어 둘레 용접부의 균열과 같은 횡방향 균열로부터의 반사가 검출된다. 종래의 EMAT 도구에서의 수신기의 배향과는 달리, 수신기 코일(97, 98)은 EMAT 센서 코일(95, 97, 98)에 대해 회전된 자기장(80)을 갖는 이득을 얻기 위해 송신기 코일(95)에 대해 대각선으로 시프트되거나 이를 향해 회전되어야 할 필요가 없다.

센서 코일(95, 97, 98)은 파이프의 내경에 밀접하여 코일(95, 97, 98)을 유지하는 스프링 장전 패드(미도시)와 같은 적합한 메커니즘 상에 장착될 수 있다. 송신키 코일(95)은 파이프 주위에 2개의 원주방향에서 SH 안내된 파(96)를 유도한다. 수신기 코일(97)은 응력 부식 균열(SCC)로부터의 반사를 검출하고 보정 수신기로서 기능한다. 수신기 코일(98)은 원주방향으로 송신기 코일(95)로부터 전파되는 SH 안내된 파(96)를 검출한다. 진폭 및 도달 시간과 같은 이들 검출된 신호의 특정한 특징은 코팅 접착분리, 부식 및 SCC와 같은 특징을 검출하는데 사용될 수 있다.

수신기 코일(97, 98)은 송신기 코일(95)로부터 미리 결정된 거리에 배치되어, 신호 응답이 수신기 코일(97, 98)에 의해 검출되지만 초기 전자 여기 펄스에 의해서는 악영향을 받지 않게 한다. 세트(94a 내지 94e) 내의 각각의 송신기 코일(95)은 각각의 측면에서 2개의 수신기 코일(97, 98)을 갖고 그룹화된다. 센서 어레이(90)는 바람직하게는 SCC 및 코팅 접착분리 검출의 중첩 커버리지를 제공하기 위해 필요한 수의 송신기 코일(95) 및 수신기 코일(97, 98)을 포함한다. 일 바람직한 실시예에서, 2개의 센서 어레이(90)(24 인치 직경 파이프에 사용을 위해 서로 대향하여 배열됨)의 각각은 5개의 송신기 코일(95) 및 총 20개의 수신기 코일(97, 98)을 포함한다.

각각의 송신기 코일(95)은 점호시에 SH 안내된 파(96)가 코일(95)의 좌측 및 우측의 모두로 그리고 파이프의 원주 주위로 전파되게 한다. 능동 송신기 코일(95)에 가장 근접한 수신기 코일(97, 98)은 먼저 적시에 샘플링되어(게이트됨) 외향 파(96)를 수신하고 이어서 바람직하게는 24 인치 직경 파이프를 위한 50 및 90 마이크로초 정도의 더 긴 미리 결정된 시간 지연에서 게이트되어 SCC로부터의 반사를 검출한다. 이들 반사는 커버리지를 최대화하고 간섭을 최소화하기 위해 RD 수신기 코일(97)과, RA 수신기 코일(98)을 지난 미리 결정된 거리("D") 사이에 위치된 목표화된 샘플링 구역("Z")으로부터 온다. 반사 신호는 신호 반사의 연속적인 보정을 제공하도록 RD 수신기(97)에서 검출된 외향 신호에 의해 정규화, 즉 분할된다.

예로서, 24 인치 파이프 및 6 mm(0.24 in)의 목표 축방향 샘플 간격을 고려하면, 390 Hz의 펄스 레이트가 5.1 mm(0.20 in)의 축방향 분해능을 생성할 것이다. 이 펄스 레이트는 제 2 펄스 또는 톤 버스트가 점호되기 전에 파이프 원주 둘레에서 SH 파(96)가 대략 4.25회 이동하게 한다. 따라서, 제 1 펄스의 나머지는 수신기 코일(97, 98) 사이에 있고, 따라서 샘플링 시간 간격(게이트)에서 원주방향 링 내의 도구 본체(21)의 대향 측면에 위치된 수신기 코일(97, 98)에 영향을 주지 않는다.

SH 파(96)는 파(96)가 파이프 주위에서 약 8.5회 이동한 후에 제 3 톤 버스트 중에 수신기 게이트 내에 여전히 있다. 2 피트의 이동에서 0.8의 감쇠 팩터(실험실 실험으로부터 결정된 팩터)를 사용하여, 100 퍼센트 전체 스케일에서 전송된 톤 버스트는 원통형 도구 본체(21)의 대향 측면에 위치된 수신기 코일(97, 98)에 도달할 때 0.3 퍼센트 미만의 진폭을 갖는다. 이 노이즈의 양은 일반적으로 예를 들어 전체 스케일의 3 퍼센트 정도일 수 있는 열 전자 노이즈와 같은 다른 노이즈의 소스에 비교하여 무시할만하다.

코팅 접착분리는 송신기 코일(95)과 직렬로 위치된 RD 수신기 코일(97)과 RA 수신기 코일(98) 사이의 목표화된 샘플링 구역(Z)에서 검출된다. 코팅 접착분리 검출은 게이트된 수신기 신호의 비를 연산함으로써 성취될 수 있다. 설정 임계치를 상회하는 비는 특정 구역(99) 내의 파이프 상의 코팅의 결여 또는 접착분리를 지시한다.

본 발명자들에 의해 수행된 연구에서, 본 발명에 따른 센서 어레이(90)는 종래 기술에 비해 이하의 이득을 나타내었다:

· 소형 결함에 대한 향상된 감도, 즉 신호 진폭의 최대 20 db 증가,

· RF 펄스기 전력 요건의 상당한 감소,

· 균열의 누락의 가능성을 감소시키는 전체 원주방향 검사 커버리지,

· 송신기 코일에 가장 근접한 수신기 코일을 사용하는 전송된 신호의 자체 보정, 및

· 음향 링에 의해 발생되는 송신기 코일 사이의 적은 간섭.

파이프 직경에 따라 상이한 수의 극 자석(41, 61), 센서 코일(95, 97, 98) 및 센서 어레이(90)를 갖는 부가의 구성이 가능하다. 원주방향 검출을 위해, 예를 들어 센서 어레이(90)는 여전히 각도형 자기 바이어스 필드(80) 내에 위치되어 있는 상태로 파이프 축에 대해 경사각(

)으로 회전될 수 있다. SCC 및 균열형 특징에 부가하여, 이들 구성은 코팅 접착분리 및 금속 손실과 같은 특징에 응답할 수 있다. 최종 시스템은 또한 EMAT 전용 시스템으로서 사용될 수 있거나 또는 이들에 한정되는 것은 아니지만 MFL, 변형, 캘리퍼 및 맵핑을 포함하는 인라인 검사 도구에 이용 가능한 임의의 다양한 다른 기술과 조합될 수 있다.

경사형 자화기 및 나선형 센서 어레이를 포함하는 EMAT 도구가 소정 정도의 상세를 갖고 설명되었지만, 다수의 변경이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 구조의 상세 및 구성 요소의 배열에 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 EMAT 도구는 그 각각의 요소가 관련되는 전체 범위의 등가성을 포함하는 첨부된 청구범위의 범주에 의해서만 한정된다.

10: 인라인 검사 도구 20: 자화기 조립체
21: 원통형 도구 본체 23: 제 1 단부
25: 제 2 단부 27: 21의 중심 종축
31A, 31B: 반경방향 디스크 40: 자기 회로
41, 61: 극 자석 43, 63: 제 1 단부
47, 67: 중심선 49, 69: 상부면
80: 자기장 90: 센서 어레이
95, 97, 98: 센서 코일 96: SH 파
100: 축방향 자화기 110: 변형 감지 섹션

Claims (20)

1. 관형 부재의 내부벽을 검사하기 위한 센서 어레이로서,
   제 1 및 제 2 쌍의 수신기 코일들 및 송신기 코일을 각각 포함하는 센서 코일의 제 1 및 제 2 세트를 포함하고,
   상기 송신기 코일과 상기 제 1 및 제 2 쌍의 수신기 코일들은 각각 서로 평행하게 배열되고 공통의 중심선을 공유하며, 상기 송신기 코일은 상기 제 1 및 제 2 쌍의 수신기 코일들 사이에 위치되고,
   상기 공통의 중심선은 각각 상기 센서 코일의 세트가 장착되는 검사 도구의 중심 종축에 대해 일정 각도(

   

   )로 배향되고,
   상기 검사 도구는 상기 검사 도구의 중심 종축에 경사지게 배열되어 있는 적어도 2개의 극 자석을 갖고,
   상기 센서 코일의 제 1 및 제 2 세트는 각각 상기 검사 도구의 외부면에 위치되고, 적어도 2개의 극 자석의 대향 에지들 사이에서 상기 대향 에지들로부터 실질적으로 등간격으로 놓여 있는 센서 어레이.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각도(

   

   )는 상기 공통 중심선이 적어도 2개의 극 자석 내의 각각의 극 자석의 중심 종축에 대해 경사지도록 선택되는 센서 어레이.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 각도(

   

   )는 상기 공통 중심선이 파이프라인 도구의 중심 종축에 대해 실질적으로 평행하도록 선택되는 센서 어레이.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 각도(

   

   )는 약 90°인 센서 어레이.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 코일 센서 세트는 약 180°로 서로로부터 이격되는 센서 어레이.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 센서 코일 세트의 부분 및 상기 제 2 센서 코일 세트의 부분은 상기 검사 도구의 공통 원주방향 밴드 내에 놓이는 센서 어레이.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 센서 코일 세트 내의 상기 송신기 코일의 부분은 상기 검사 도구의 중심 종축에 수직인 방향으로 상기 송신기 코일의 부분으로부터 오프셋되는 센서 어레이.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 센서 코일 세트 중 적어도 하나 내의 상기 송신기 코일은 신호를 전송하고, 상기 신호는 상기 검사 도구에 의해 검사되는 관형 부재의 벽 표면에 의해 반사되는 센서 어레이.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 신호는 상기 송신기 코일이 제 2 신호를 전송하기 전에 상기 관형 부재의 원주 주위에서 미리 결정된 횟수만큼 이동(travel)하는 센서 어레이.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 쌍의 수신기 코일 중 적어도 하나는 신호를 샘플링하는 센서 어레이.
11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 쌍의 수신기 코일 중 적어도 하나는 반사된 신호를 샘플링하는 센서 어레이.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 반사된 신호는 정규화된 신호인 센서 어레이.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 샘플링은 미리 결정된 샘플링 시간 간격으로 발생하는 센서 어레이.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 신호는 상기 제 1 및 제 2 수신기 코일 중 적어도 하나가 상기 반사된 신호를 샘플링하기 전에 상기 관형 부재의 원주 주위에서 미리 결정된 횟수만큼 이동하는 센서 어레이.
15. 제 11 항에 있어서, 상기 샘플링은 목표화된 샘플링 구역 내에서 발생하고, 상기 목표화된 샘플링 구역은 제 1 수신기 코일과 제 2 수신기 코일을 지난 미리 결정된 거리("D") 사이에서 연장하는 센서 어레이.
16. 제 11 항에 있어서, 수신기 코일의 각각의 상기 제 1 및 제 2 쌍은 상기 송신기 코일에 대해 이격되어, 상기 송신기 코일에 의해 전송된 신호가 상기 제 1 및 제 2 쌍의 수신기 코일에 의해 반사된 신호의 검출을 마스킹하지 않도록 하는 센서 어레이.
17. 제 1 항에 있어서, RD 수신기 코일 및 RA 수신기 코일을 각각 포함하는 제 1 및 제 2 쌍의 수신기 코일을 추가로 포함하는 센서 어레이.
18. 제 1 항에 있어서, 게이트된 수신기 코일인 상기 제 1 및 제 2 쌍의 수신기 코일 내에 적어도 하나의 수신기 코일을 추가로 포함하는 센서 어레이.
19. 제 1 항에 있어서, 보정 코일인 상기 제 1 및 제 2 쌍의 수신기 코일 내에 적어도 하나의 수신기 코일을 추가로 포함하는 센서 어레이.
20. 제 1 항에 있어서, 축방향 배향 벽 이상(anomaly) 및 원주방향 배향 벽 이상 중 적어도 하나를 검출할 수 있는 상기 제 1 및 제 2 센서 코일 세트 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 센서 어레이.

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