UA61587A

UA61587A - Method for the ultrasonic monitoring of geometrical characteristics of pipes

Info

Publication number: UA61587A
Application number: UA2003032058A
Authority: UA
Inventors: Oleg Mykhailovych Karpash; Vitalii Vasylovych Vekeryk; Petro Yakovych Krynychnyi
Original assignee: Ltd Liability Company Scient P; Ivano Frankivsk Nat Tech Univ
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2003-11-17

Abstract

The proposed method for the ultrasonic testing of geometrical characteristics of pipes consists in arranging an ultrasonic transducer and a conical reflector along the axis of the tested pipe filled with liquid, exciting longitudinal vibrations in the pipe, receiving the ultrasonic pulse signals reflected from the pipe walls, and determining the geometrical characteristics of the pipe by the time intervals between the pulses of ultrasonic radiation reflected from the inside and outside surfaces of the pipe. The reflector contains n cone-shaped reflecting elements with a taper angle of 45 degrees. Each reflecting element is displaced along the pipe longitudinal axis, relative to the preceding element, at such a distance that the ultrasonic radiation pulses reflected from the surface of the certain reflecting element enter the input of the ultrasonic transducer with a time displacement relative to the pulses reflected from the surfaces of the other reflecting elements. The reflecting elements are arranged with the angular interval between the elements equal to 360/2n degrees in order to provide the possibility to test the pipe along its whole perimeter. Additionally, ahead of the ultrasonic transducer, a prism is installed that overlaps a half part of the directional pattern of the transducer and one of the cone-shaped reflecting elements of the reflector.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до акустичного контролю матеріалів і може бути використаний для контролю 2 геометричних характеристик труб зі сторони їх внутрішньої поверхні, коли контроль зовні неможливий або недоцільний, наприклад, у випадку оцінки технічного стану колони обсадних труб в свердловині.The invention relates to the acoustic control of materials and can be used to control 2 geometric characteristics of pipes from the side of their inner surface, when external control is impossible or impractical, for example, in the case of assessing the technical condition of a column of casing pipes in a well.

Відомий спосіб ультразвукової дефектоскопії труб, призначений для визначення місця розташування дефектів, який полягає в тому, що перетворювач і конусний відбивач встановлюють ексцентричне всередині труби і використовують конусний відбивач, виконаний у вигляді двох симетричних частин, одну з яких зміщують 70 відносно другої в напрямку повздовжньої вісі труби таким чином, щоб відбиті від неї сигнали попадали на перетворювач з певною різницею у часі. Оскільки перетворювач і відбивач встановлені ексцентричне в трубі, а частини конусного відбивача рознесені вздовж неї, то час проходження імпульсами шляху від перетворювача до стінок труби різний, що дозволяє, знаючи віддаль від перетворювача до відбивачів і стінок труби, визначати місцезнаходження дефекту (А. с. СССР Мо 599209, кл. (301 М 29/04, Б.Й. 11, 1978). Цей спосіб ефективний у 12 випадку дефектоскопії, коли потрібно збільшити точність визначення місцезнаходження дефектів по тілу труби без використання багатоканальної дефектоскопії та обертової системи сканування.A known method of ultrasonic flaw detection of pipes, designed to determine the location of defects, which consists in the fact that the transducer and conical reflector are installed eccentrically inside the pipe and use a conical reflector made in the form of two symmetrical parts, one of which is shifted 70 relative to the other in the direction of the longitudinal axis pipes in such a way that the signals reflected from it hit the converter with a certain time difference. Since the transducer and reflector are installed eccentrically in the pipe, and the parts of the conical reflector are spaced along it, the pulses travel time from the transducer to the pipe walls is different, which allows, knowing the distance from the transducer to the reflectors and the pipe walls, to determine the location of the defect (A. p. SSSR Mo 599209, class (301 M 29/04, B.Y. 11, 1978).This method is effective in the 12 case of defectoscopy, when it is necessary to increase the accuracy of determining the location of defects along the pipe body without using multi-channel defectoscopy and a rotating scanning system.

Однак у випадках, коли необхідно визначати геометричні характеристики тіла труб і їх розподіл по перерізах труби, для можливості розрахунку її міцнісних характеристик, цей спосіб не є ефективний, тому що він не забезпечує нормальне падіння ультразвукових коливань на поверхню об'єкту контролю, і до того ж, дає тільки інтегральну оцінку досить великої частини перерізу труби.However, in cases where it is necessary to determine the geometric characteristics of the pipe body and their distribution across the pipe sections, in order to be able to calculate its strength characteristics, this method is not effective, because it does not ensure the normal fall of ultrasonic vibrations on the surface of the control object, and in addition well, gives only an integral estimate of a rather large part of the pipe cross-section.

Найбільш близьким за функціональним призначенням відомий спосіб ультразвукового контролю труб імерсійним луно-імпульсним методом, при якому прямий перетворювач вводять всередину контрольованої труби, випромінюють ним ультразвукові коливання в осьовому напрямку, перед перетворювачем розміщують дзеркало під кутом 45", що відхиляє промені до стінки труби. Відбиття від внутрішньої та зовнішньої стінок потрапляють зворотнім шляхом на перетворювач, і вимірюючи часові інтервали між відбиттями визначають « товщину стінки труби. Обертанням дзеркала та повздовжнім переміщенням системи перетворювач-дзеркало забезпечують сканування поверхні труби. Кривизна дзеркала додатково дозволяє фокусувати акустичні коливання. (Ультразвуковой контроль материалов. Справ, изд. Й. Крауткремер, Г. Крауткремер. Пер. с нем. - М.:The closest in terms of functional purpose is the known method of ultrasonic inspection of pipes using the immersion echo-impulse method, in which a direct transducer is introduced into the controlled pipe, it emits ultrasonic vibrations in the axial direction, a mirror is placed in front of the transducer at an angle of 45", which deflects the rays to the pipe wall. Reflection from the inner and outer walls fall back to the transducer, and by measuring the time intervals between the reflections, they determine the "thickness of the pipe wall. By rotating the mirror and longitudinally moving the transducer-mirror system, they provide scanning of the pipe surface. The curvature of the mirror additionally allows you to focus acoustic vibrations. (Ultrasonic control of materials. Works, published by Y. Krautkremer, H. Krautkremer. Translated from German - M.:

Металлургия, 1991. С.506-5071. вMetallurgy, 1991. P.506-5071. in

Недоліком такого способу є те, що сканування поверхні труби здійснюється по гвинтовій лінії, і тому з с його допомогою не можна отримати розподіл геометричних характеристик труби в кожному її поперечному перерізі. Необхідність обертання відбивача ускладнює конструкцію та знижує надійність роботи способу. оThe disadvantage of this method is that the scanning of the pipe surface is carried out along a helical line, and therefore it is not possible to obtain the distribution of the geometric characteristics of the pipe in each of its cross sections. The need to rotate the reflector complicates the design and reduces the reliability of the method. at

В основу винаходу поставлено задачу розробки способу контролю геометричних характеристик труб (товщини стінки, діаметру, площі поперечного перерізу, овальності, форми та фактичного зношення внутрішньої і зовнішньої поверхонь) з їх внутрішньої сторони, з допомогою якого можна буде отримати інформацію про ее, розподіл вказаних характеристик в поперечному перерізі труби, при цьому використавши один ультразвуковий перетворювач та безобертову систему сканування, шляхом відхилення ультразвукових коливань від повздовжньої вісі труби по радіусах до її стінки та рознесення в часі прийнятих інформативних сигналів від « якомога більшої кількості частин поперечного перерізу труби. Такі вимоги до способу контролю є особливо З 50 актуальними при оцінці технічного стану обсадних колон в свердловині та інших схожих об'єктів, коли існують с обмеження в габаритах глибинної вимірювальної апаратури, для забезпечення її прохідності здатності по з» трубах, та високі вимоги до надійності її роботи.The basis of the invention is the task of developing a method of controlling the geometric characteristics of pipes (wall thickness, diameter, cross-sectional area, ovality, shape and actual wear of the inner and outer surfaces) from their inner side, with the help of which it will be possible to obtain information about ee, the distribution of the specified characteristics in the cross-section of the pipe, while using one ultrasonic transducer and a non-rotating scanning system, by deflecting ultrasonic vibrations from the longitudinal axis of the pipe along the radii to its wall and spreading in time the received informative signals from as many parts of the cross-section of the pipe as possible. Such requirements for the control method are especially relevant when assessing the technical condition of casing strings in a well and other similar objects, when there are limitations in the dimensions of the depth measuring equipment, to ensure its passability through pipes, and high requirements for reliability her works

Задача вирішується тим, що у відомому способі акустичного контролю геометричних характеристик труб, в якому прямий суміщений ультразвуковий перетворювач і співвісний з ним відбивач встановлюють всередині по вісі контрольованої труби, заповненої рідиною, збуджують ультразвукові коливання в осьовому напрямку, б приймають відбиті від стінок труби сигнали та за розміщенням в часі пари імпульсів відбитих від внутрішньої - та зовнішньої поверхонь труби визначають необхідні геометричні характеристики, згідно з винаходом, відбивач виконується у вигляді п симетричних конусоподібних частин з кутом нахилу твірних 45", з яких кожну наступну і-й відносно попередньої зміщують в напрямку повздовжньої вісі труби так, щоб прийняті від неї сигнали, відбиті о 20 від стінки труби, попадали на перетворювач в часі, відмінному від часу приходу сигналів, відбитих від інших частин, та повертають на кут 3607/(2п), достатній для охоплення при скануванні всього периметру труби, а т перед перетворювачем встановлюють прискорювальну призму так, щоб вона перекривала половину діаграми направленості акустичного поля перетворювача та одну частину кожного з симетричних конусоподібних відбивачів. 25 Для контролю використовують імерсійний акустичний луно-імпульсний метод контролю. Ультразвуковий в. прямий суміщений перетворювач та конусоподібний відбивач з кутом нахилу твірних 45" розміщують по осі контрольованої труби, що заповнена рідиною, яка є контактним акустичним середовищем. Відбивач виконаний у вигляді п симетричних конусоподібних частин, з яких кожна наступна відносно попередньої зміщена в напрямку поздовжньої осі труби так, щоб відбиті від неї сигнали попадали на перетворювач в часі, відмінному від часу бо приходу сигналів, відбитих від інших частин, та повернута на кут 3602/2п) для забезпечення сканування всього периметру труби. Кожна частина конусоподібного відбивача дозволяє відбивати випромінювані перетворювачем ультразвукові коливання в двох протилежних напрямках. Для розділення в часі прийнятих сигналів з цих двох напрямків використовується півкругла прискорювальна призма певної товщини, яка встановлюється на шляху поширення ультразвуку на перетворювачі так щоб вона перекривала половину діаграми направленості бо акустичного поля перетворювача та одну частину кожного симетричного конусоподібного відбивача. Матеріал цієї прискорювальної призми повинен забезпечувати високу швидкість проходження повздовжньої ультразвукової хвилі та мати малий коефіцієнт її загасання. Спеціальна конструкція відбивача та призма розбивають прийняту інформацію в часі на 2п каналів, що дозволяє отримати більш детальнішу інформацію про розподіл контрольованих характеристик в поперечному перерізі труби, підвищити інформативність та достовірність контролю. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє отримати при чотирьох відбивачах вісім інформаційних каналів розділених у часі з використанням одного вимірювального каналу. Кожен з п конусоподібних відбивачів дозволяє контролювати 1/п частину поверхні труби, але в реальному часі отримана інформація стосується п різних перерізів. Знаючи числові значення затримки сигналів між відбивачами, при 7/0 обробці прийнятих даних контролю відтворюється реальна картина розподілу проконтрольованих характеристик в перерізах труби.The problem is solved by the fact that in the known method of acoustic control of the geometric characteristics of pipes, in which a direct combined ultrasonic transducer and a reflector coaxial with it are installed inside along the axis of the controlled pipe filled with liquid, ultrasonic oscillations are excited in the axial direction, signals reflected from the walls of the pipe are received and the necessary geometric characteristics are determined by placing in time a pair of pulses reflected from the inner and outer surfaces of the pipe, according to the invention, the reflector is made in the form of n symmetrical cone-shaped parts with an inclination angle of 45", each of which is shifted relative to the previous one in the direction along the longitudinal axis of the pipe so that the signals received from it, reflected at 20 from the pipe wall, hit the transducer at a time different from the time of arrival of the signals reflected from other parts, and are turned by an angle of 3607/(2π), sufficient for coverage during scanning of the entire perimeter of the pipe, and I install t in front of the converter t accelerating prism so that it overlaps half of the directional pattern of the acoustic field of the transducer and one part of each of the symmetrical cone-shaped reflectors. 25 The immersion acoustic echo-impulse control method is used for control. Ultrasonic in a direct combined transducer and a cone-shaped reflector with an inclination angle of 45" are placed along the axis of the controlled pipe filled with a liquid, which is a contact acoustic medium. The reflector is made in the form of n symmetrical cone-shaped parts, each of which is shifted relative to the previous one in the direction of the longitudinal axis of the pipe so , so that the signals reflected from it reach the transducer at a time different from the arrival time of the signals reflected from other parts, and is turned at an angle of 3602/2π) to ensure scanning of the entire perimeter of the pipe. Each part of the cone-shaped reflector allows reflecting the ultrasonic vibrations emitted by the transducer in in two opposite directions. To separate the received signals from these two directions in time, a semicircular accelerating prism of a certain thickness is used, which is installed on the path of propagation of ultrasound on the transducer so that it overlaps half of the directivity diagram of the acoustic field of the transducer and one part of each th symmetrical cone-shaped reflector. The material of this accelerating prism should provide a high velocity of longitudinal ultrasonic waves and have a low attenuation coefficient. The special design of the reflector and the prism divides the received information in time into 2n channels, which allows to obtain more detailed information about the distribution of the controlled characteristics in the cross-section of the pipe, to increase the informativeness and reliability of the control. Thus, the proposed method makes it possible to obtain, with four reflectors, eight information channels separated in time using one measuring channel. Each of the n cone-shaped reflectors allows you to control 1/n part of the pipe surface, but in real time the information obtained concerns n different sections. Knowing the numerical values of the signal delay between the reflectors, during 7/0 processing of the received control data, a real picture of the distribution of the controlled characteristics in the pipe sections is reproduced.

Запропонований спосіб з використанням чотирьох відбивачів реалізується схемою, що зображена на фіг.1.The proposed method using four reflectors is implemented by the scheme shown in Fig.1.

Частини конусоподібного відбивача та їх просторове розміщення показано на фіг.2 - фіг.5. На фіг.б6 показано схему розміщення призми, а на фіг.7 та фіг.8 - приклади застосування способу. Всередині труби 1 співвісно з /5 нею розміщують перетворювач ультразвукових коливань 2 та конусоподібний відбивач з кутом нахилу твірних 45", виконаний у вигляді чотирьох симетричних частин 3, 4, 5 та 6, з яких кожна наступна відносно попередньої зміщується в напрямку поздовжньої осі труби на певну віддаль, достатню для розділення в часі прийнятих від них сигналів, та повертається на 45". Кожна частина такого відбивача відбиває випромінювані перетворювачем ультразвукові коливання в двох протилежних напрямках. Для розділення в часі прийнятих сигналів від кожного 2о Відбивача з цих двох протилежних напрямків на поверхні перетворювача встановлюється півкругла прискорювальна призма 7 певної товщини, матеріал якої має велику швидкість поширення ультразвуку та малий коефіцієнт загасання. Призма розміщується так, щоб вона перекривала половину діаграми направленості акустичного поля перетворювача та одну частину кожного з чотирьох симетричних конусоподібних відбивачів.Parts of the cone-shaped reflector and their spatial arrangement are shown in Fig. 2 - Fig. 5. Fig. b6 shows the scheme of placement of the prism, and Fig. 7 and Fig. 8 show examples of the application of the method. Inside the pipe 1, coaxially with /5, a transducer of ultrasonic oscillations 2 and a cone-shaped reflector with an inclination angle of 45" are placed inside the pipe 1, made in the form of four symmetrical parts 3, 4, 5 and 6, each of which is shifted relative to the previous one in the direction of the longitudinal axis of the pipe on a certain distance, sufficient to separate the signals received from them in time, and returns by 45". Each part of such a reflector reflects the ultrasonic vibrations emitted by the transducer in two opposite directions. To separate in time the received signals from each 2o Reflector from these two opposite directions, a semicircular accelerating prism 7 of a certain thickness is installed on the surface of the transducer, the material of which has a high speed of ultrasound propagation and a low attenuation coefficient. The prism is placed so that it overlaps half of the acoustic field pattern of the transducer and one part of each of the four symmetrical cone-shaped reflectors.

На фіг.7 показано часову розгортку, яка ілюструє повний цикл приходу сигналів на перетворювач від чотирьох відбивачів, а на фіг.8 в якості прикладу показано графічне зображення результату контролю товщини стінки п труби на довжині / запропонованим способом. «Fig. 7 shows a time sweep that illustrates the full cycle of signals arriving at the converter from four reflectors, and Fig. 8 shows, as an example, a graphical representation of the result of monitoring the pipe wall thickness n along the length / by the proposed method. "

Запропонований спосіб реалізується наступним чином. Перетворювачем 2 збуджуються ультразвукові коливання, які поширюються Через контактну рідину, а половина їх також через прискорювальну призму 7, в напрямку відбивачів 3, 4, 5 та б і відбиваються ними по радіусах до стінки труби в двох протилежних М зо напрямках. Прискорювальна призма / розділяє в часі сигнали прийняті від одного відбивача. Дальше відбувається відбиття ультразвукових коливань від внутрішньої та зовнішньої поверхонь труби, які попадають на со перетворювач тим же шляхом, але в зворотному напрямку. За розміщенням в часі пари імпульсів відбитих від ю поверхонь труби можна визначити товщину стінки труби, її діаметр, площу поперечного перерізу, овальність, форму та фактичне зношення її внутрішньої і зовнішньої поверхонь. При контролі труб великого діаметру -- потрібно сфокусувати на поверхні труби відбиті від відбивачів ультразвукові коливання для підвищення «о інформативності і потужності луно-сигналу від стінки труби. Це можна зробити шляхом використання відбивачів з вгнутими бічними поверхнями.The proposed method is implemented as follows. Transducer 2 excites ultrasonic vibrations, which spread through the contact liquid, and half of them also through the accelerating prism 7, in the direction of reflectors 3, 4, 5 and b and are reflected by them along the radii to the pipe wall in two opposite M and z directions. The accelerating prism / separates the signals received from one reflector in time. Further, ultrasonic vibrations are reflected from the inner and outer surfaces of the pipe, which hit the co-transducer in the same way, but in the opposite direction. By placing a pair of pulses reflected from the surface of the pipe in time, it is possible to determine the thickness of the pipe wall, its diameter, cross-sectional area, ovality, shape and actual wear of its inner and outer surfaces. When monitoring large-diameter pipes, it is necessary to focus the ultrasonic vibrations reflected from the reflectors on the surface of the pipe to increase the informativeness and power of the echo signal from the pipe wall. This can be done by using reflectors with concave side surfaces.

Claims

The formula of the invention h -

c 1. The method of acoustic control of the geometrical characteristics of pipes, which consists in the fact that a direct "z" combined ultrasonic transducer and a conical reflector coaxial with it are installed inside along the axis of the controlled pipe filled with liquid, in the axial direction they excite ultrasonic vibrations, receive reflected from the walls pipe signals and by placing in time a pair of pulses reflected from the internal FO and the external surfaces of the pipe, determine the necessary geometric characteristics, which is distinguished by the fact that the reflector is made in the form of n symmetrical cone-shaped parts with an inclination angle of 452, each of which is the next relative to the previous one are shifted in the direction of the longitudinal axis of the pipe by a certain distance so that the signals reflected from it reach the transducer at a time different from the time of arrival of the signals reflected from other so 50 parts, and are turned to an angle of 3602/2p) to ensure scanning of the entire perimeter pipes, in addition, an accelerator is installed in front of the converter into the prism so as to cover half of the directivity diagram and acoustic field of the transducer and one part of each of the symmetrical cone-shaped reflectors.

2. The method of acoustic control of the geometric characteristics of pipes according to claim 1, which differs in that when controlling pipes of large diameters, increasing the informativeness and power of the echo signal from the pipe wall is achieved by focusing on its surface the ultrasonic vibrations reflected from the reflectors by using reflectors with concave side surfaces 60 b5