RU164969U1 - Узел датчиков для диагностики технического состояния подземных трубопроводов - Google Patents

Abstract

1. Узел датчиков для диагностики технического состояния подземных трубопроводов, включающий трехкомпонентные датчики постоянного магнитного поля, соединенные креплениями из немагнитного непроводящего материала, отличающийся тем, что узел датчиков представляет собой пространственную фигуру в виде куба, в вершинах которого расположены трехкомпонентные датчики постоянного магнитного поля, соединенные по ребрам куба креплениями из немагнитного непроводящего материала, причем трехкомпонентные датчики постоянного магнитного поля настроены таким образом, что в каждой паре датчиков, расположенных на концах каждого из ребер куба, одноименные и соосные с линией ребра оси - соосны между собой, а одноименные оси датчиков, ортогональные линии ребра - параллельны между собой, по вертикальной оси симметрии куба на верхней его грани и на нижней размещены по одному трехкомпонентному датчику переменного магнитного поля, которые соединены между собой также креплениями из немагнитного непроводящего материала.2. Узел датчиков по п.1, отличающийся тем, что датчики постоянного и переменного поля в верхней и нижней плоскостях куба соединены между собой держателями из немагнитного непроводящего материала.3. Узел датчиков по п.1, отличающийся тем, что размер креплений между датчиками постоянного магнитного поля (по ребрам куба) составляет 400 ± 1 мм.4. Узел датчиков по п.1, отличающийся тем, что в качестве трехокомпонентных датчиков могут быть применены феррозондовые, магниторезистивные датчики или ГМР (гигантский магнито-резистивный эффект) датчики.5. Узел датчиков по п.1, отличающийся тем, что трехкомпонентные датчики, наиболее приближенные к

Description

Узел датчиков для диагностики технического состояния подземных трубопроводов

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для бесконтактной внетрубной диагностики технического состояния подземных ферромагнитных нефтяных и газовых труб. Предложение особенно эффективно при диагностике промысловых и транспортных труб малого и среднего диаметра (100-500 мм), а также при дефектоскопии стальных и чугунных металлоконструкций.

Известен способ контроля и обнаружения дефектов на трубопроводах из ферромагнитных материалов (патент РФ № 2294482, МПК F17D 5/02, G01N 27/82, приоритет от 18.10.2005, опубл. 27.03.2007). Способ основан на измерении абсолютной величины модуля и/или градиента модуля магнитной индукции, предусматривает построение графиков этих величин, получение для выбранных участков средних значений этих величин, вычисление среднеквадратичных отклонений этих величин от их средних значений, выделение участков, для которых отклонение в два и более раз превышает среднеквадратичное, определение на местности участков, соответствующих выделенным на графиках, и проведение на этих участках работ методами неразрушающего контроля. При реализации способа необходимо соблюдение одинакового расстояния между датчиками (преобразователями) магнитной индукции или незначительное отклонение от этого равенства и постоянство глубины погружения трубопровода.

Недостатками применения данного способа являются пропуск локальных аномалий от дефектов, магнитные моменты которых ориентированы не оптимально по отношению к датчикам поля и зависимость результатов диагностики от глубины погружения трубопровода, т.к. практически невозможно обеспечить одинаковое расстояние между осью трубопровода и датчиками, вследствие чего возникают ошибки при ранжировании аномалий, необходимость предварительного трассирования и, следовательно, снижение производительности работ и точности привязки аномалий.

Известен также «Магнитный локатор дефектов и повреждений труб» (заявка РФ № 2005139236, МПК G01N27/82, приоритет 12.15.2005, опубл. 06.27.2007). Магнитный локатор включает измерительные катушки и два постоянных магнита. Полезный эффект достигается за счет использования измерительных катушек седлообразной формы. Недостатками предложенного локатора является необходимость существенного приближения локатора к трубопроводу и отсутствие контроля расстояния между локатором и трубопроводом.

Известен способ бесконтактного выявления местоположения и характера дефектов металлических сооружений и устройство для его осуществления (патент РФ № 2264617, МПК G01N 27/82, G01V 3/08, приоритет от 23.05.2001, опубл. 20.11.2005). Способ включает измерение индукции постоянного магнитного поля над трубопроводом, перемещение датчиков и аппаратуры вдоль трубопровода, измерение магнитного поля в прямоугольных координатах двумя трехкомпонентными датчиками, составление элементов тензора градиентов постоянного магнитного поля, обработку полученной информации путем матричного преобразования, определение фоновых значений и отклонений от этих значений. По отличию отклонений на заданную критериальную величину от фоновых значений судят о наличии и местоположении дефектов трубопроводов и строят магнитограмму с указанием местоположения дефектов.

Использование данного способа и устройства так же, как и предыдущего, приводит к пропуску аномалий при неоптимальной ориентации магнитного момента дефекта и датчиков поля. В известном способе не учитывается также фактическая невозможность получения тензора градиентов по измерениям двумя трехкомпонентными датчиками. Во-первых, использование двух- - пяти- компонентных датчиков не обеспечивает получение полной матрицы тензора градиента, поскольку в этом случае не получается полный набор компонент, т.к. минимально необходимое количество трехкомпонентных датчиков равно шести. Во-вторых, не все компоненты тензора могут быть получены с необходимой точностью, и поэтому матричные преобразования приводят к большим погрешностям. Тензор градиентов может быть получен при последовательных измерениях при остановке оператора в точках измерений. Недостатком известного способа и устройства является также необходимость предварительного трассирования трубопроводов, что приводит к повышению трудозатрат и снижению точности привязки выявляемых дефектов.

Известен способ диагностики технического состояния подземных трубопровода и устройство для его осуществления, описанные в патенте РФ № 2453760 от 18.12.2009г. Известный способ включает измерение компонент постоянного магнитного поля над трубопроводом не менее, чем в шести точках пространства над трубопроводом, при перемещении трехкомпонентных датчиков поля вдоль трубопровода, математическую обработку измерения и по полученным данным идентификацию и ранжирование особенностей технического состояния трубопроводов. Для лучшей геометризации трубопровода при перемещении датчиков поля вдоль трубопровода используют возбуждаемые с помощью специальных устройств переменные магнитные поля. Измеряют расстояние от датчиков до проекции оси трубопровода на дневную поверхность, индуцируют величину и направление удаления датчиков от проекции оси трубопровода, на основании чего оператор корректирует путь перемещения вдоль трубопровода.

Известное устройство включает узел датчиков постоянного магнитного поля, состоящий, по меньшей мере, из шести трехкомпонентных датчиков, полевой компьютер и блок сбора данных и управления (БСДУ).

Недостатками данного способа и устройства являются низкая точность определения градиентов, ошибки в интерпретации результатов измерений из-за больших конструктивных размеров датчиков. Реальные дистанционные измерения проводятся в существенно неоднородном магнитном поле. Получаемые в этом случае разности одноименных компонент поля не являются градиентами поля в математическом и физическом смыслах, так как градиенты должны получаться на основе бесконечно малого расстояния между трехкомпонентными датчиками.

Глубина погружения промыслового трубопровода, в основном, составляет 1-2 метра, а размеры базы датчиков, используемых для получения разностей компонент поля, в практически используемых конструктивах составляют 0,8-1 метр (См., например, Е.И. Крапивский, В.О. Некучаев, Дистанционная магнитометрия газонефтепроводов, учебное пособие, Ухта: УГТУ, 2011, стр.76-78.). В этом случае происходит смещение рабочей (средней) точки базы датчиков и результаты интерпретации могут содержать существенные ошибки.

Известен также «Способ и устройство диагностики технического состояния подземных трубопроводов» по патенту РФ № 2504763, приоритет от 12.09.2012г., МПК G01N27/82, опубл. 20.01.2014г. Способ включает измерение компонент постоянного магнитного поля над трубопроводом не менее, чем в шести точках пространства над трубопроводом, при перемещении трехкомпонентных датчиков поля вдоль трубопровода, математическую обработку измерения и по полученным данным -- идентификацию и ранжирование особенностей технического состояния трубопроводов. Компенсацию влияния на результаты измерений постоянного магнитного поля Земли производят путем подключения к каждому из датчиков компенсационных обмоток, включенных для каждой из одноименных компонент датчиков последовательно и навстречу друг другу, причем измерительные обмотки трехкомпонентных датчиков каждой из одноименной компонент подключают таким образом, что выходной сигнал датчиков равен сумме или разности компонент, на основе которых проводят математическую обработку измерений. В качестве математической обработки используется тензорная обработка матрицы градиентов, проведенная на основе результатов измерений, с получением линейных, квадратичных и кубических инвариантов и компонент магнитных моментов магнитных аномалий дефектов, причем при обработке измерений исключаются из обработки интервалы записи измерений, превышающие время действия перегрузок, определяемое по превышению амплитуд пороговых значений измеряемых сигналов.

Кроме того, дополнительно для датчиков, находящихся вдоль оси, ориентированной параллельно поверхности земли и перпендикулярно трубопроводу, получают разность модулей компонент и на основе знака и величины этой разности подают речевые указания оператору по направлению движения.

Недостатками известного технического решения являются:

-неопределенность точки записи всей установки вследствие смещения продольного датчика магнитного поля относительно вертикального на величину размера приемного продольного преобразователя, что затрудняет интерпретацию полевых наблюдений и препятствует точной привязке полевых наблюдений;

-невозможность получения градиентов компонент поля и градиентов модулей измеряемых полей (первых и вторых производных) относительно центра установки, что снижает чувствительность установки при фиксации дефектов на трубопроводах;

- асимметричная конструкция системы горизонтальных и вертикальных датчиков, которая не позволяет получать параметры матрицы градиентов с необходимой точностью;

- невозможность получения несмещенных оценок вторых производных компонент поля.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков является «Способ и устройство диагностики технического состояния подземного трубопровода» по патенту РФ на изобретение № 2568808. Известное устройство содержит узел датчиков постоянного магнитного поля с компенсационными обмотками и устройствами сложения и вычитания сигналов постоянного магнитного поля, блок сбора данных и управления (БСДУ) и полевой компьютер. При этом узел датчиков состоит по меньшей мере из 7-ми трехкомпонентных датчиков постоянного магнитного поля с центральной симметрией и расположением одного датчика в центре симметрии и по одной прямой. Вдоль каждой из трех ортогональных координатных осей расположено не менее трех трехкомпонентных датчиков, настроенных таким образом, чтобы одноименные компоненты магнитного поля в каждом из датчиков вдоль одинаковых осей датчиков были соосны, в ортогональных датчиках одноименные компоненты вдоль одинаковых осей датчиков параллельны, а разноименные компоненты ортогональны и образовывали правостороннюю систему координат. К каждой паре датчиков, расположенных в крайних точках от центра симметрии, подключены соответственно трехсекционная компенсационная обмотка и трехканальные устройства сложения и вычитания сигналов постоянного магнитного поля, а к соответствующей паре датчиков, расположенных в центре симметрии и датчиков, расположенных в крайних точках от центра симметрии вдоль каждой из трех ортогональных осей координат, подключены трехканальные устройства вычитания. При этом БСДУ содержит по меньшей мере 8 аналого-цифровых преобразователей, входы которых подключены к выходам устройств вычитания и сложения сигналов постоянного магнитного поля по меньшей мере 8 ретранслирующих модулей, связанных с аналого-цифровыми преобразователями и через каналы взаимодействия - с принимающими модулями, выходы которых соединены с формирователем выходных сигналов, который через USB-порт связан с полевым персональным компьютером.

Недостатками прототипа являются:

- недостаточная точность измерений при глубине погружения трубопровода более 2-х метров, в том числе, при мощности снежного покрова более 1 метра;

- сильное влияние на информативность измерений в зонах промышленного высокого уровня технических и физических магнитных помех, вызванных магнитной неоднородностью труб, обилием вставок, кранов, задвижек, маркеров, металлических пикетов, обрывков тросов, «пригрузов» и других металлических, а также железобетонных предметов в около трубном пространстве, создающих маскирующие магнитные поля, затрудняющее выделение дефектов на их фоне;

- отсутствие надежной информации, о локальных поворотах, изгибах, поворотах, арках пучения, скручивании и других искривлениях трубопроводов под действием технологических и природных факторов, создающих аварийно опасные дефекты или зоны концентрации напряжений;

- влияние подвижек оператора в магнитном поле Земли при его перемещении, создающих ложные магнитные аномалии, не связанные с дефектными зонами или с зонами концентрации напряжений;

- необходимость предварительного трассирования проекции оси трубопровода на дневной поверхности другими методами;

- несимметричное положение индукционных датчиков с несимметричным влиянием полей феррозондов на результаты измерений.

Задачей полезной модели является разработка такой конструкции узла датчиков для диагностики технического состояния подземных трубопроводов, которая бы позволили повысить информативность и точность бесконтактной дефектоскопии подземных трубопроводов при значительном их погружении, уменьшить влияние технических и технологических помех и облегчить работу оператора при проведении диагностики.

Техническим результатом полезной модели является повышение точности фиксации дефектов и зон концентрации напряжений на промысловых и транспортных трубах малого диаметра, повышение точности привязки результатов измерений к положению трубопровода, а также повышение надежности и точности разделения полей дефектов и полей помех.

Технический результат достигается за счет того, что узел датчиков для диагностики технического состояния подземных трубопроводов, включающий трехкомпонентные датчики постоянного магнитного поля, соединенные креплениями из немагнитного непроводящего материала, согласно полезной модели представляет собой пространственную фигуру в виде куба, в вершинах которого расположены трехкомпонентные датчики постоянного магнитного поля, соединенные по ребрам куба креплениями из немагнитного непроводящего материала, причем трехкомпонентные датчики постоянного магнитного поля настроены таким образом, что в каждой паре датчиков, расположенных на концах каждого из ребер куба, одноименные и соосные с линией ребра оси - соосны между собой, а одноименные оси датчиков, ортогональные линии ребра - параллельны между собой, по вертикальной оси симметрии куба на верхней его грани и на нижней размещены по одному трехкомпонентному датчику переменного магнитного поля, которые соединены между собой креплением из немагнитного непроводящего материала для возможности регистрации глубины погружения трубопровода.

Дополнительным отличием предлагаемой полезной модели является то, датчики переменного поля и датчики постоянного поля в верхней и нижней плоскостях куба соединены креплениями из немагнитного непроводящего материала. Размер креплений между датчиками постоянного магнитного поля (по ребрам куба) составляет 400 ± 1 мм.

Также дополнительными отличиями предлагаемого узла датчиков являются:

- в качестве трехкомпонентных датчиков могут быть применены феррозондовые, магниторезистивные датчиков или ГМР (гигантский магнито-резистивный эффект) датчики;

- трехкомпонентные датчики, наиболее приближенные к поверхности Земли, снабжены фиксаторами перегрузок;

- в качестве датчиков переменного магнитного поля могут быть применены индукционные датчики.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется Фиг.1, на которой изображена пространственная схема узла датчиков, где:

1,.2.,3.,4.,5.,6.,7, 8 - трехкомпонентные постоянного магнитного поля,

X ,Y, Z -оси координат,

9 - 10 датчики переменного магнитного поля,

держатели датчиков в верхней плоскости 9-2, 9-6, 9-4, 9-8, держатели датчиков в нижней плоскости 10-1, 10-3, 10-5, 10-7.

Узел датчиков состоит из восьми трехкомпонентных датчиков постоянного магнитного поля 1 - 8 (фиг. 1), установленных на концах конструкции из немагнитного непроводящего материала. Профили, из которых выполнены линейные элементы конструкции ориентированы вдоль и поперек трех пространственных взаимно перпендикулярных осей и имеют общую ось симметрии. На оси симметрии расположен вертикальный преобразователь индукции переменного магнитного поля, состоящий из двух трехкомпонентных датчиков 9-10 переменного магнитного поля. Датчики переменного поля соединены с датчиками постоянного магнитного поля с помощью немагнитных непроводящих держателей в верхней и нижней плоскостях куба. Датчики в каждом из преобразователей постоянного магнитного поля настроены соосно, с минимальным дисбалансом, и их расположение позволяет измерять разности одноименных компонент поля между крайними точками преобразователей, а также измерять сумму одноименных компонент поля между крайними точками преобразователей.

Предлагаемый узел датчиков может применяться в составе известных устройствах диагностики технического состояния подземных трубопроводов, например,

- Прибор типа ИКН .Разработан и серийно изготавливается ООО "Энергодиагностика". Имеют сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии RU.C.34003.A №22258

- Прибор серии МБС ( МБС -03, МБС-04). Название прибора " Скиф". Разработан и изготавливается ООО НТЦ "Транскор-К".

Эти устройства включают узел датчиков, полевой компьютер и блок сбора данных и управления (БСДУ), причем БСДУ состоит из двенадцати плат АЦП, соединенных с двенадцатью ретранслирующими микросхемами LVDS , передающими каналами SPI, приемными микросхемами LVDS, соединенными с программируемой логической интегральной микросхемой ПЛИС , соединенной с последовательным интерфейсом передачи данных USB. К каждому из датчиков подключены компенсационные обмотки, включенные для каждой из одноименных компонент датчиков последовательно и навстречу друг другу, измерительные обмотки каждой из одноименных компонент датчиков включаются так, что на выходе получают сумму и разность этих компонент, трехкомпонентные датчики , наиболее приближенные к земле, снабжены тремя фиксаторами перегрузок, причем эти фиксаторы соединены с одной из плат АЦП, устройства сложения и вычитания также соединено с платами АЦП.

В конструкции устройства также используют наушники, подключенные к полевому компьютеру, который оснащен блоком выработки речевых команд.

В случае использования феррозондовых датчиков работа устройства осуществляется следующим образом.

Феррозондовые датчики 1-8, практически примененные в предложении, являются датчиками активного типа и используют для своей работы ток возбуждения. Ток возбуждения дважды за период доводит ферромагнитные сердечники датчиков до насыщения, за счет чего изменяется потокосцепление намотанной на сердечник измерительной катушки с внешним магнитным полем. В измерительной катушке возникает переменное электрическое напряжение, частота которого в два раза больше частоты тока возбуждения, а амплитуда пропорциональна постоянной составляющей проекции вектора индукции внешнего магнитного поля на магнитную ось датчика. В компенсационных обмотках для каждой из одноименных компонент датчиков внешние помехи, в том числе флуктуации магнитного поля Земли, подавляются. Кроме того, исключаются искажения, связанные с нестабильностью частоты возбуждающего поля. Устройства определения разности одноименных компонент формируют сигналы, равные разности этих компонент, а устройства определения суммы этих компонент формируют сигналы равные их суммам.

Устройства вычитания сигналов поля в крайних точках преобразователей формирует разность сигналов между точками 1-2, 1-3, 1-5, 8-4, 8-7 и 8-6. Устройство сложения формируют сигналы, равные сумме этих компонент в точках 1-2 , 1-3 ,1-5, 8-4, 8-7 и 8-6. т.е. в крайних точках преобразователей.

Сигналы от компенсационных обмоток подаются на АЦП. Сигналы суммы компонент поля и их разностей подаются на блок БСДУ, где с помощью 12-ми канальных плат АЦП преобразуются в цифровой код. Микросхемой LVDS по каналу связи (интерфейсу) SPI сигналы передаются на принимающую микросхему LVDS и затем на программируемую логическую микросхему ПЛИС. Микросхема ПЛИС формирует сигналы последовательного интерфейса передачи данных USB.

Трехкомпонентный датчик, наиболее приближенный к земле, снабжен тремя фиксаторами перегрузок, причем эти фиксаторы соединены с одной из плат БСДУ.

При работе с измерительной аппаратуры на основе предлагаемого узла датчиков осуществляются следующие операции.

1.На участке, удаленном от промышленных помех, производят калибровку измерительной аппаратуры, поочередно располагая систему датчиков вдоль магнитного меридиана, и производят необходимые измерения.

2. Производят разметку диагностируемого трубопровода, закрепляют трассу трубопровода на местности и определяют координаты закрепленных точек портативными навигаторами GPS .

3.Переносят измерительную аппаратуру на диагностируемый трубопровод. Включают измерительный комплекс и измеряют компоненты постоянного и переменного магнитного поля и разности компонент постоянного магнитного поля при перемещении системы датчиков вдоль проекции оси трубопровода на дневную поверхность. В каждый момент производятся измерения 36 сумм и 36 разностей постоянного магнитного поля и 6 компонент переменного магнитного поля..

4. При перемещении руководствуются автоматически подаваемыми речевыми командами по требуемому направлению движения оператора для выхода на проекцию оси трубопровода на дневной поверхности и на величину требуемого отступа .

На основе измерения 36 сумм и 36 разностей постоянного магнитного поля в результате обработки получают повороты и изгибы локальных участков трубопровода, зоны концентрации напряжений, области кластеров дефектов.

На основе аномалий этих параметров по стандартным статистическим характеристикам (превышение текущей дисперсии над среднеквадратичным отклонением) производят выявление дефектов трубопроводов. По количеству аномалий, выявленных при тензорной обработке записей, оценивают вклад поля дефекта и производят ранжирование выделенных дефектов по степени опасности.

На основе сигналов от индукционных датчиков после необходимых вычислений получают речевые команды направления поворотов оператора, величины и направления приближения оператора к положению проекции оси трубопровода на дневной поверхности.

Таким образом, достигается повышение точности, надежности и детальности решения задач бесконтактной диагностики и неразрушающей дефектоскопии подземных трубопроводов, улучшение идентификации и геометризации дефектов металла и изоляции.

Достоинствами предлагаемого технического решения являются:

- возможность получать в результате обработки параметры локальных изгибов, поворотов, скручиваний и других искривлений труб, образующихся за счет нескомпенсированных механических напряжений и вызывающих появление дефектов и зон напряженно-деформированного состояния;

- возможность ослабить влияние на информативность измерений технических магнитных помех, вызванных магнитной технологической неоднородностью труб, а также повысить надежность и точность разделения полей дефектов и полей помех;

- возможность получать с более высокой точностью оценки модулей, градиентов модулей, их первых и вторых производных магнитного поля, положение в пространстве и величины главных осей тензоров градиентов, в том числе их относительных величин и на этой основе геометрические и магнитные характеристики дефектов стенок трубопровода.

Claims (6)

1. Узел датчиков для диагностики технического состояния подземных трубопроводов, включающий трехкомпонентные датчики постоянного магнитного поля, соединенные креплениями из немагнитного непроводящего материала, отличающийся тем, что узел датчиков представляет собой пространственную фигуру в виде куба, в вершинах которого расположены трехкомпонентные датчики постоянного магнитного поля, соединенные по ребрам куба креплениями из немагнитного непроводящего материала, причем трехкомпонентные датчики постоянного магнитного поля настроены таким образом, что в каждой паре датчиков, расположенных на концах каждого из ребер куба, одноименные и соосные с линией ребра оси - соосны между собой, а одноименные оси датчиков, ортогональные линии ребра - параллельны между собой, по вертикальной оси симметрии куба на верхней его грани и на нижней размещены по одному трехкомпонентному датчику переменного магнитного поля, которые соединены между собой также креплениями из немагнитного непроводящего материала.

2. Узел датчиков по п.1, отличающийся тем, что датчики постоянного и переменного поля в верхней и нижней плоскостях куба соединены между собой держателями из немагнитного непроводящего материала.

3. Узел датчиков по п.1, отличающийся тем, что размер креплений между датчиками постоянного магнитного поля (по ребрам куба) составляет 400 ± 1 мм.

4. Узел датчиков по п.1, отличающийся тем, что в качестве трехокомпонентных датчиков могут быть применены феррозондовые, магниторезистивные датчики или ГМР (гигантский магнито-резистивный эффект) датчики.

5. Узел датчиков по п.1, отличающийся тем, что трехкомпонентные датчики, наиболее приближенные к поверхности Земли, снабжены фиксаторами перегрузок.

6. Узел датчиков по п.1, отличающийся тем, что в качестве датчиков переменного магнитного поля могут быть применены индукционные датчики.

Images