Рисунок 1 - Ультразвуковой внутритрубный дефектоскоп для прямого высокоточного измерения толщины стенки трубы (WM)
Ультразвуковой дефектоскоп типа WM (Wall thickness Measurement - измерение толщины стенки) представляет собой автономное устройство, предназначенное для обследования трубопроводов с целью определения дефектов стенки трубы методом ультразвуковой толщинометрии радиально установленными ультразвуковыми датчиками. Наличие и расположение дефекта в стенке трубы определяется по времени прихода ультразвуковых сигналов, отраженных от внутренней и наружной поверхности или неоднородности внутри стенки трубы, позволяя тем самым определять кроме наружных и внутренних потерь металла, различного рода несплошности в металле трубы, как: расслоения, шлаковые и иные включения. В дефектоскопах используется ультразвуковой принцип измерения толщины, основанный на акустическом эхо-импульсном зондировании стенки трубопровода с использованием ультразвуковых иммерсионных преобразователей совмещенного типа.
Рассмотрим принципиальную схему работы внутритрубного ультразвукового прибора-толщиномера.
Принцип работы ультразвукового толщиномера состоит в измерении временных интервалов между зондирующим импульсом и импульсами, отраженными от внутренней и внешней поверхностей стенки трубопровода. Временной интервал между зондирующим импульсом и первым отраженным импульсом соответствует расстоянию (отступу) между датчиком и внутренней поверхностью стенки трубы. Временной интервал между первым и вторым отраженными импульсами соответствует толщине стенки.
Вне зависимости от некоторых технических отличий, все типы подобных устройств несут на своей поверхности ультразвуковые датчики, работающие по иммерсионному методу (методу погружения), суть которого заключается в том, что пространство между датчиком и исследуемым объектом полностью заполнено жидкостью (нефтью или нефтепродуктом).
При контроле толщины стенки трубы и контроле дефектов, параллельных стенке трубы (расслоений, неметаллических включений) ультразвуковые колебания вводятся по нормали к поверхности трубы.
ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь; Т - трубопровод; SO - значение отступа; Н - носитель датчиков (ПЭП)
Рисунок 2 - Схема установки пьезоэлектрического преобразователя в упругом носителе внутритрубного дефектоскопа при радиальном прозвучивании стенки трубопровода
Ультразвуковые датчики устанавливаются в держателе прибора так, чтобы они находились перпендикулярно стенке трубы. После излучении датчиком ультразвукового импульса, происходит отражение ультразвукового сигнала сначала от внутренней, а затем от внешней стенки трубы. Отраженные сигналы фиксируются ультразвуковым датчиком (рисунок 3).
Измерение толщины стенки трубы или расстояния до несплошности производится путем измерения времени прохождения зондирующего (т.е. излучаемого в изделие) импульса от наружной до внутренней поверхности трубы или от наружной поверхности до несплошности и отраженного импульса в обратном направлении. При известной скорости распространения ультразвука в стали (5850 м/с для продольных волн) указанный временной промежуток пропорционален двойной толщине стенки трубопровода или двойному расстоянию до дефекта.
Рисунок 3 - Принцип работы ультразвуковых датчиков
Время прихода первого отраженного сигнала преобразуется в расстояние от датчика до внутренней поверхности стенки трубы, а время прихода второго - в толщину стенки (рисунок 4).
Рисунок 4 - Схема контроля
В случае наружной коррозии время прохождения сигнала в стенке стальной трубы уменьшается, что дает непосредственно количественную меру потери металла. В случае внутренней коррозии увеличивается время прохождения сигнала в нефти.
Кроме обнаружения внутренней и внешней потерь металла, данный метод позволяет обнаружить и измерить другие типы дефектов, такие как расслоения, включения, царапины, надрезы, задиры и вмятины, а также их комбинации. Ультразвуковой сигнал отражается также и от различных неоднородностей в толще металла стенки трубы, позволяя тем самым определять, кроме наружных или внутренних потерь металла различного рода, несплошности в металле трубы (рисунок 5).
Рисунок 5 - Пример обнаружения расслоения
Для того, чтобы избежать ложных замеров толщины стенки, что может быть вызвано переотражениями ультразвукового сигнала, системой электроники прибора фиксируются отраженные импульсы через определенный временной промежуток - так называемое время задержки триггерногосигнала.
После того, как от внутренней поверхности стенки трубы принято ультразвуковое эхо, прием прерывается для того, чтобы подавить многократные отражения. Во время задержки триггерного сигнала ультразвуковые эхо-сигналы не принимаются, поскольку они могут быть ложно интерпретированы как значения толщины стенки. В этом случае производится замер первого эхо-сигнала после окончания времени запаздывания триггерного сигнала (обычно, это второе по счету эхо от внешней поверхности стенки). Замеренное значение при этом показывает удвоенную толщину стенки.
Записываемые данные представляют собою совокупность ультразвуковых измерений толщины стенки трубы и расстояния от датчиков до внутренней стенки трубы, показаний одометрической информации (информации о пройденном прибором расстоянии), давлении окружающей среды, температуре и т.п.
Ультразвуковой дефектоскоп типа WM (рисунок 6) состоит из секций -стальных цилиндрических герметичных корпусов (с расположенной внутри электроникой, накопителями информации и батареями) и носителя датчиков, связанных между собой при помощи карданных соединений и кабелей. Количество секций и состав каждой секции определяются возможностью компоновки электроники и батарей в ограниченном объеме корпуса, габаритные размеры которого должны обеспечить контроль трубопровода с определенным проходным сечением и минимальным радиусом поворота трубы. Для трубопроводов диаметром 1220/1020 мм дефектоскоп выполнен двухсекционным, для трубопроводов диаметром 820 мм и менее он состоит из трех-пяти секций. В передней части ведущей секции установлен бампер, закрывающий антенну приемопередатчика, находящуюся в защитном кожухе.
Каждая секция и носитель датчиков снабжены полиуретановыми манжетами, предназначенными для центрирования и обеспечения движения прибора по трубопроводу потоком перекачиваемого продукта.
Рисунок 6 - Ультразвуковые дефектоскопы типа WM
На каждом герметичном корпусе установлены также конические манжеты, служащие для предотвращения застревания прибора в тройниках, не оборудованных предохранительными решетками. В задней части секции электроники на подпружиненных рычагах установлены два одометрических колеса, предназначенных для получения информации о пройденном расстоянии.
Для привязки к угловому положению относительно продольной оси трубопровода дефектоскоп имеет в своем составе маятниковую систему, позволяющую учесть вращение дефектоскопа при движении.
Носитель датчиков состоит из полиуретановых полозов коробчатого сечения с установленными в них ультразвуковыми датчиками, обеспечивающих постоянство расстояния от каждого датчика до поверхности трубы. Полозы соединены между собой плоскими пружинами, благодаря которым они плотно прилегают к внутренней поверхности трубы.
Датчики соединены с модулем электроники специальными кабелями с герморазъемами. Для того, чтобы на датчиках не откладывались парафино-смолистые отложения, конструкцией прибора предусмотрен проток перекачиваемого продукта через каналы полозов.
Минимальное проходное сечение трубопровода, необходимое для пропуска ультразвукового дефектоскопа, составляет 85 %, а минимальный радиус поворота на 90° цельнотянутого колена трубы, проходимый прибором, составляет 1,5 Dн.
В качестве источника электропитания во внутритрубных инспекционных приборах используются литиевые батареи, как имеющие самую высокую емкость на единицу объема.
Количество датчиков на дефектоскопе предусмотрено такое, чтобы обеспечить контроль всей внутренней окружности трубы смыкающимися пятнами ультразвуковых лучей (для дефектоскопа 1220 мм, например, количество датчиков - 448). Вдоль оси трубы опрос ведется через 3,3 мм при скорости движения прибора 1 м/с. Таким образом, обеспечивается толщинометрия всей внутренней поверхности трубы за один прогон прибора.
Информация от каждого датчика обрабатывается бортовыми компьютерами, сжимается и записывается в накопителях информации.