устройство для внутритрубной ультразвуковой толщинометрии

Формула изобретения

1. Устройство для внутритрубной ультразвуковой толщинометрии, пропускаемое внутри обследуемого трубопровода, включающее в себя корпус с установленным оборудованием для измерений, обработки и хранения данных измерений, указанное оборудование включает в себя последовательно соединенные генератор запускающих импульсов, ультразвуковой датчик, усилитель, компаратор с аналоговым входом, цифровой таймер, процессор и накопитель цифровых данных, отличающееся тем, что включает в себя также управляемый источник опорного напряжения, выход которого подключен к входу опорного напряжения компаратора, источник опорного напряжения выполнен способным устанавливать на выходе, по крайней мере, два значения опорного напряжения, и имеет первый управляющий вход выставления на выходе первого значения опорного напряжения, и второй управляющий вход выставления на выходе второго значения опорного напряжения, первый управляющий вход источника опорного напряжения подключен к одному из выходов генератора запускающих импульсов или к выходу процессора, второй управляющий вход источника опорного напряжения подключен к выходу компаратора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник опорного напряжения выполнен способным устанавливать два значения опорного напряжения противоположной полярности относительно потенциала на выходе усилителя при отсутствии импульса от ультразвукового датчика, соответствующего приему ультразвукового импульса.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль разности между вторым значением опорного напряжения и значением потенциала на выходе усилителя при отсутствии импульса от ультразвукового датчика, соответствующего приему ультразвукового импульса, составляет не более, чем 0,8 модуля разности между первым значением опорного напряжения и значением потенциала на выходе усилителя при отсутствии импульса от ультразвукового датчика, соответствующего приему ультразвукового импульса.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает в себя также линию задержки, выход компаратора подключен ко второму управляющему входу источника опорного напряжения через линию задержки.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход компаратора подключен к управляющему входу цифрового таймера, устройство включает в себя также линию задержки, управляющий вход цифрового таймера подключен ко второму управляющему входу источника опорного напряжения через линию задержки.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что линия задержки имеет вход кода длительности периода задержки, вход кода длительности периода задержки подключен к выходу процессора.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает в себя также схему блокирования изменения состояния на управляющем входе цифрового таймера, выход компаратора подключен к управляющему входу цифрового таймера через указанную схему блокирования, ко второму входу источника опорного напряжения подключен вход указанной схемы блокирования.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает в себя также схему блокирования изменения состояния на управляющем входе цифрового таймера, выход компаратора подключен к управляющему входу цифрового таймера и второму управляющему входу источника опорного напряжения через указанную схему блокирования.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает в себя формирователь импульса заданной длительности, цифровой таймер имеет вход блокирования остановки счета, выход компаратора подключен к входу запуска формирователя импульса заданной длительности, выход формирователя импульса заданной длительности подключен к входу блокирования остановки счета цифрового таймера.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает в себя триггер, выход компаратора подключен к управляющему входу цифрового таймера через триггер, ко второму управляющему входу источника опорного напряжения подключен вход триггера.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает в себя триггер, выход компаратора подключен к управляющему входу цифрового таймера и второму управляющему входу источника опорного напряжения через триггер.

12. Устройство по п. 10 или 11, отличающееся тем, что включает в себя также формирователь импульса заданной длительности, триггер выполнен в виде управляемого блокируемого триггера и имеет вход блокирования изменения состояния, выход компаратора подключен к входу запуска формирователя импульса заданной длительности, выход формирователя импульса заданной длительности подключен к входу блокирования изменения состояния управляемого блокируемого триггера.

13. Устройство по п. 10 или 11, отличающееся тем, что включает в себя также формирователь импульса заданной длительности, триггер выполнен в виде управляемого блокируемого триггера и имеет вход блокирования изменения состояния, выход триггера подключен к входу запуска формирователя импульса заданной длительности, выход формирователя импульса заданной длительности подключен к входу блокирования изменения состояния управляемого блокируемого триггера.

14. Устройство по любому из пп.9, 12 и 13, отличающееся тем, что включает в себя тактовый генератор, формирователь импульса заданной длительности выполнен в виде цифрового счетчика со счетным входом, счетный вход указанного счетчика подключен к выходу тактового генератора, вход запуска формирователя импульса заданной длительности выполнен в виде управляющего входа счетчика.

15. Устройство по любому из пп.9, 12 и 13, отличающееся тем, что формирователь импульса заданной длительности выполнен в виде цифрового счетчика со счетным входом, счетный вход указанного счетчика подключен к выходу процессора, вход запуска формирователя импульса заданной длительности выполнен в виде управляющего входа счетчика.

16. Устройство по любому из пп.9, 12 и 13, отличающееся тем, что формирователь импульса заданной длительности имеет вход кода длительности формируемого импульса, вход кода длительности периода формируемого импульса подключен к выходу процессора.

17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цифровой таймер включает в себя счетчик со счетным входом и тактовый генератор, управляющий вход цифрового таймера выполнен в виде управляющего входа счетчика, выход тактового генератора подключен к счетному входу счетчика.

18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цифровой таймер включает в себя счетчик со счетным входом, управляющий вход цифрового таймера выполнен в виде управляющего входа счетчика, выход процессора подключен к счетному входу счетчика.

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает в себя дифференцирующую цепочку, усилитель включает в себя ограничитель выходного напряжения, выход усилителя подключен к входу компаратора через дифференцирующую цепочку, выход процессора подключен к входу генератора запускающих импульсов.

20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник опорного напряжения имеет вход кода устанавливаемых на выходе значений опорного напряжения, подключенный к выходу процессора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам ультразвуковой дефектоскопии трубопроводов большой протяженности, главным образом, магистральных нефтепроводов, нефтепродуктопроводов, а также газопроводов при условии обеспечения акустической связи между ультразвуковыми датчиками и стенками трубопровода (например, с помощью жидкостной пробки), методом толщинометрии путем пропуска внутри трубопровода снаряда-дефектоскопа с установленными на нем ультразвуковыми датчиками, средствами измерений, преобразования и записи данных измерений в накопитель цифровых данных в процессе пропуска и обработки полученных данных после выполнения пропуска с целью идентификации дефектов стенок трубопровода, определения параметров идентифицированных дефектов и их положения на трубопроводе.

Известно устройство для внутритрубной ультразвуковой дефектоскопии [1] -[4] , включающее в себя корпус с установленным на нем оборудованием для измерений, обработки и хранения данных измерений, оборудование включает в себя ультразвуковые датчики.

Устройство пропускают внутри трубопровода, испускают в процессе пропуска зондирующих ультразвуковых импульсов и принимают соответствующие отраженные ультразвуковые импульсы. По характеристикам принятых ультразвуковых импульсов определяют дефектность трубопровода.

Известно также устройство для внутритрубной ультразвуковой толщинометрии [5] -[7] , включающее в себя корпус с установленным на нем оборудованием для измерений, обработки и хранения данных измерений, указанное оборудование включает в себя последовательно соединенные генератор запускающих импульсов, ультразвуковой датчик, модуль обработки импульсов, таймер, процессор и накопитель цифровых данных.

Устройство пропускают внутри трубопровода, излучают ультразвуковые импульсы в направлении стенки трубопровода и принимают соответствующие ультразвуковые импульсы, отраженные от внутренней и внешней стенок трубопровода, измеряют время хода указанных ультразвуковых импульсов.

Известно устройство для внутритрубной ультразвуковой толщинометрии [8], [9], включающее в себя корпус с установленным на нем оборудованием для измерений, обработки и хранения данных измерений, указанное оборудование включает в себя последовательно соединенные генератор запускающих импульсов, ультразвуковой датчик, модуль обработки импульсов, таймер, процессор и накопитель цифровых данных.

Устройство пропускают внутри трубопровода, испускают зондирующие ультразвуковые импульсы в процессе пропуска и принимают соответствующие ультразвуковые импульсы, отраженные от внутренней и внешней стенок трубопровода, измеряют время хода ультразвукового импульса, отраженного от внутренней стенки трубопровода, время хода ультразвукового импульса, отраженного от внешней стенки трубопровода, определяют разность между указанными значениями, и эти три полученных значения записывают в накопитель данных.

Однако измерение времени хода импульсов до внешней стенки трубы и обратно с заданной точностью требует использования формирователей цифровых данных с разрядностью, большей, чем при прямом измерении времени хода ультразвукового импульса в стенке трубопровода (скорость распространения ультразвука в иммерсионной среде значительно меньше скорости в материале трубопровода), разница особенно ощутима при толщинометрии тонкостенных трубопроводов, при которой толщина стенки трубы может быть заметно меньше расстояния от датчика до внутренней стенки трубопровода (отступа).

Выполнение измерений с точностью, достаточной для обнаружения, идентификации дефектов и определения их параметров, требует использования накопителей большой емкости, тогда как для снаряда, продвигающегося внутри трубопровода, объем для размещения накопителей данных ограничен.

Известно устройство для внутритрубной ультразвуковой толщинометрии [10], включающее в себя корпус с установленным на нем оборудованием для измерений, обработки и хранения данных измерений, указанное оборудование включает в себя последовательно соединенные генератор запускающих импульсов, ультразвуковой датчик, модуль обработки импульсов, таймер, процессор и накопитель цифровых данных.

Устройство пропускают внутри трубопровода, испускают зондирующие ультразвуковые импульсы в процессе пропуска и принимают соответствующие ультразвуковые импульсы, отраженные от внутренней и внешней стенок трубопровода, измеряют время хода ультразвукового импульса в стенке трубопровода, значения, соответствующие толщине стенки трубопровода в допустимых пределах, отбрасываются, а записываются только значения, соответствующие толщине стенки, меньшей допустимой.

Использование указанного устройства позволяет выполнять прямое измерение промежутка времени между приемом ультразвукового импульса, отраженного от внутренней стенки трубопровода, и приемом ультразвукового импульса, отраженного от внешней стенки трубопровода.

Однако отсутствие данных от большей части длины контролируемого трубопровода осложняет интерпретацию потери данных, например, из-за некачественной очистки полости трубопровода от парафинов перед пропуском дефектоскопа либо из-за запарафинивания полости в процессе пропуска дефектоскопа при транспортировании по контролируемому трубопроводу тяжелых нефтей.

Прототипом заявленного устройства является устройство для внутритрубной ультразвуковой толщинометрии [11], включающее в себя корпус с установленным на нем оборудованием для измерений, обработки и хранения данных измерений, указанное оборудование включает в себя последовательно соединенные генератор запускающих импульсов, ультразвуковой датчик, усилитель, компаратор с аналоговым входом и с предустановленным порогом, настроенным на регистрацию ультразвукового импульса, отраженного от внутренней стенки трубопровода, цифровой таймер, процессор и накопитель цифровых данных.

Устройство характеризуется тем, что включает в себя аналого-цифровой преобразователь, буферную память, модули цифровой обработки данных.

Устройство пропускают внутри трубопровода, испускают зондирующие ультразвуковые импульсы в процессе пропуска и принимают соответствующие ультразвуковые импульсы, отраженные от внутренней и внешней стенок трубопровода, измеряют временной промежуток между приемом первого ультразвукового импульса, отраженного от внутренней стенки трубопровода, и приемом второго ультразвукового импульса, отраженного от внешней стенки трубопровода, моменты приема первого и второго ультразвукового импульса определяют по достижению электрическим импульсом, соответствующим первому или второму ультразвуковому импульсу, некоторого порогового значения. Электрические импульсы оцифровывают по амплитуде с частотой 28 МГц и разрешением 8 бит. На аналоговом компараторе предустанавливают порог и используют изменение состояния на выходе компаратора при поступлении на вход компаратора электрических импульсов, соответствующих принятым ультразвуковым импульсам, для запуска операций оцифровки импульсов и обработки полученных цифровых данных. Преобразованные цифровые данные записывают в накопитель цифровых данных.

Сохранение в накопителе информации о форме электрических импульсов либо об амплитудах электрических сигналов и моментах времени, соответствующих указанным амплитудам, повышает эффективность интерпретации данных, полученных на парафинизированных участках трубопроводов, характеризующихся большим затуханием ультразвуковых импульсов, однако это увеличивает объем данных на заданной длине трубопровода, которые должны быть сохранены в накопителе, емкость которого ограничена, что приводит к необходимости уменьшения контролируемой за один пропуск дистанции.

Заявленное устройство для внутритрубной ультразвуковой толщинометрии, пропускаемое внутри обследуемого трубопровода, так же, как и устройство по прототипу, включает в себя корпус с установленным оборудованием для измерений, обработки и хранения данных измерений, указанное оборудование включает в себя последовательно соединенные генератор запускающих импульсов, ультразвуковой датчик, усилитель, компаратор с аналоговым входом, цифровой таймер, процессор и накопитель цифровых данных.

В отличие от прототипа заявленное устройство включает в себя также управляемый источник опорного напряжения, выход которого подключен к входу опорного напряжения компаратора, источник опорного напряжения выполнен способным устанавливать на выходе по крайней мере два значения опорного напряжения и имеет первый управляющий вход выставления (установки) на выходе первого значения опорного напряжения и второй управляющий вход выставления (установки) на выходе второго значения опорного напряжения, первый управляющий вход источника опорного напряжения подключен к одному из выходов генератора запускающих импульсов или к выходу процессора, второй управляющий вход источника опорного напряжения подключен к выходу компаратора.

Основные технические результаты, получаемые в результате реализации заявленного изобретения, - уменьшение объема накопителей данных, необходимых для дефектоскопии трубопровода заданной протяженности (соответственно увеличение контролируемой за один пропуск дистанции трубопровода при заданном объеме накопителей данных), повышение точности измерений и скорости аппаратной обработки данных.

Механизм достижения указанных технических результатов состоит в том, что выполнение прямых цифровых измерений времени хода ультразвуковых импульсов в стенке трубопровода исключает измерение времени хода ультразвукового импульса в промежутке между ультразвуковым датчиком и внешней стенкой трубопровода и позволяет использовать измерительные средства (цифровые счетчики тактовых импульсов) с минимальной разрядностью выходных данных, допустимой для обеспечения достаточной точности измерений, и тем самым уже на этапе измерений минимизировать объем данных при заданной точности измерении.

Кроме того, прямые цифровые измерения времени хода ультразвуковых импульсов в стенке трубопровода позволяют исключить операции по аппаратному или программному вычислению указанного времени по данным о времени приема отраженных импульсов или по данным о времени приема для оцифрованных значений амплитуд в импульсах.

Отражение ультразвуковых импульсов от внутренней и внешней стенки трубопровода сопровождается появлением разности фаз между отраженными ультразвуковыми импульсами, и полуволне положительной полярности (относительно потенциала при отсутствии импульса) для первого импульса соответствует полуволна противоположной (отрицательной) полярности (относительно потенциала при отсутствии импульса), и наоборот, соответственно. В зависимости от настроек усилителя и условий распространения ультразвукового импульса амплитуда отрицательной полуволны второго импульса может быть непропорционально меньше амплитуды положительной полуволны первого импульса, а ошибка в толщине, связанная с разностью фаз, может составлять 0,3-0,4 мм при частоте ультразвуковых импульсов 5 МГц.

Управляемый источник опорного напряжения позволяет устанавливать на компараторе разные значения опорного напряжения для положительного перепада ультразвукового импульса, отраженного от внутренней стенки трубопровода, и для отрицательного перепада ультразвукового импульса, отраженного от внешней стенки трубопровода, а подключение управляющего входа управляемого источника опорного напряжения к выходу компаратора позволяет переключать значение, устанавливаемое (выставляемое) источником опорного напряжения после идентификации на аппаратном уровне прихода первого ультразвукового импульса, отраженного от внутренней стенки трубопровода, что позволяет выполнять измерения толщины стенки трубопровода в автоматическом режиме без указанной ранее ошибки, связанной с разностью фаз.

В предпочтительном исполнении заявленного устройства источник опорного напряжения выполнен способным устанавливать два значения опорного напряжения противоположной полярности относительно потенциала на выходе усилителя при отсутствии импульса от ультразвукового датчика, соответствующего приему ультразвукового импульса. Модуль разности между вторым значением опорного напряжения (вторым пороговым значением) и значением потенциала на выходе усилителя при отсутствии импульса от ультразвукового датчика, соответствующего приему ультразвукового импульса, составляет не более чем 0,8 и не менее чем 0,2 модуля разности между первым значением опорного напряжения (первым пороговым значением) и значением потенциала на выходе усилителя при отсутствии импульса от ультразвукового датчика, соответствующего приему ультразвукового импульса.

Из-за частичного прохождения ультразвукового импульса через границу сред на внутренней стенке трубопровода и частичного отражения ультразвукового импульса от границы сред на внешней стенке трубопровода амплитуда импульса, отраженного от внешней стенки трубопровода, существенно меньше амплитуды импульса, отраженного от внутренней стенки трубопровода. Если же второе пороговое значение по модулю менее 0,2 первого порогового значения по модулю, становится невозможной регистрация двух импульсов на одном компараторе из-за постепенного затухания первого импульса от резонансного ультразвукового датчика.

В предпочтительном исполнении устройство включает в себя также линию задержки, выход компаратора подключен ко второму управляющему входу источника опорного напряжения через линию задержки,

или устройство включает в себя также линию задержки, выход компаратора подключен к управляющему входу цифрового таймера, управляющий вход цифрового таймера подключен ко второму управляющему входу источника опорного напряжения через линию задержки.

В предпочтительном исполнении устройства линия задержки имеет вход кода длительности периода задержки, вход кода длительности периода задержки подключен к выходу процессора.

Указанное исполнение устройства позволяет избежать обратного переброса состояния компаратора из-за изменения полярности порога и сформировать, таким образом, импульс некоторой длительности для запуска цифрового таймера. Кроме того, при сильном затухании электрических импульсов на входе компаратора линия задержки позволяет блокировать изменение состояния компаратора (соответственно остановки цифрового таймера) на время затухания первого электрического импульса от резонансного ультразвукового датчика.

В одном из вариантов исполнения устройство включает в себя также схему блокирования изменения состояния на управляющем входе цифрового таймера (или на выходе компаратора), выход компаратора подключен к управляющему входу цифрового таймера через указанную схему блокирования, ко второму входу источника опорного напряжения подключен вход указанной схемы блокирования.

Во втором варианте исполнения устройство включает в себя также схему блокирования изменения состояния на управляющем входе цифрового таймера (или на выходе компаратора), выход компаратора подключен к управляющему входу цифрового таймера и второму входу источника опорного напряжения через указанную схему блокирования.

В третьем варианте исполнения устройство включает в себя также формирователь импульса заданной длительности, цифровой таймер имеет вход блокирования остановки счета, выход компаратора подключен к входу запуска формирователя импульса заданной длительности, выход формирователя импульса заданной длительности подключен к входу блокирования остановки счета цифрового таймера.

В предпочтительном исполнении устройство включает в себя триггер, выход компаратора подключен к управляющему входу цифрового таймера через триггер, ко второму управляющему входу источника опорного напряжения подключен вход триггера;

либо устройство включает в себя триггер, выход компаратора подключен к управляющему входу цифрового таймера и второму управляющему входу источника опорного напряжения через триггер.

В развитие изобретения устройство по обоим вариантам включает в себя также формирователь импульса заданной длительности, триггер выполнен в виде управляемого блокируемого триггера и имеет вход блокирования изменения состояния, выход указанного триггера или выход компаратора подключен к входу запуска формирователя импульса заданной длительности, выход формирователя импульса заданной длительности подключен к входу блокирования изменения состояния управляемого блокируемого триггера.

Блокирование состояния выхода компаратора (или входа цифрового таймера) позволяет избежать ложной остановки цифрового счетчика из-за многократного срабатывания компаратора при приеме одного ультразвукового импульса, которое возможно из-за резонансного характера работы ультразвукового датчика.

Устройство по указанным ранее вариантам включает в себя тактовый генератор, формирователь импульса заданной длительности выполнен в виде цифрового счетчика со счетным входом, счетный вход указанного счетчика подключен к выходу тактового генератора, вход запуска формирователя импульса заданной длительности выполнен в виде управляющего входа счетчика;

или формирователь импульса заданной длительности выполнен в виде цифрового счетчика со счетным входом, счетный вход указанного счетчика подключен к выходу процессора, вход запуска формирователя импульса заданной длительности выполнен в виде управляющего входа счетчика.

Формирователь импульса заданной длительности имеет вход кода длительности формируемого импульса, вход кода длительности формируемого импульса подключен к выходу процессора.

Указанная схема формирователя импульса заданной длительности позволяет программировать значение длительности периода формирователя как непосредственно перед диагностическим пропуском устройства, так и в процессе работы внутри трубопровода в соответствии с заданной программой с целью обеспечения эффективной идентификации ультразвуковых импульсов при прямом измерении временных промежутков между импульсами с помощью одной измерительной линии.

Цифровой таймер включает в себя счетчик со счетным входом и тактовый генератор, управляющий вход цифрового таймера выполнен в виде управляющего входа счетчика, выход тактового генератора подключен к счетному входу цифрового таймера;

или цифровой таймер включает в себя счетчик со счетным входом, управляющий вход цифрового таймера выполнен в виде управляющего входа счетчика, выход процессора подключен к счетному входу цифрового таймера.

В дальнейшее развитие изобретения устройство включает в себя дифференцирующую цепочку, усилитель включает в себя ограничитель выходного напряжения, выход усилителя подключен к входу компаратора через дифференцирующую цепочку, выход процессора подключен к входу генератора запускающих импульсов. Постоянная времени дифференцирующей цепочки составляет 0,03-0,2 мкс. Предпочтительная резонансная частота ультразвуковых датчиков составляет 3-10 МГц.

Дифференцирующая цепочка обеспечивает преобразование импульсов с усилителя таким образом, что амплитуда одной из полуволн в импульсе существенно больше полуволн другой полярности в этом импульсе относительно потенциала на выходе усилителя при отсутствии импульса от ультразвукового датчика, что позволяет исключить ложное срабатывание компаратора при движении снаряда внутри трубопровода, когда модуль амплитуды полуволны импульса на выходе усилителя, предшествующей расчетной полуволне, может на каком-то участке стать больше модуля порогов. Постоянная времени в указанных пределах обеспечивает неполное дифференцирование импульса, достаточное для организации порогов, при очень незначительном падении амплитуды импульсов. Подключение входа генератора запускающих импульсов к выходу процессора позволяет регулировать промежутки времени между запускающими и соответственно первыми отраженными ультразвуковыми импульсами как непосредственно перед диагностическим пропуском, так и в процессе пропуска заявленного устройства.

Источник опорного напряжения имеет вход кода устанавливаемых на выходе значений опорного напряжения, подключенный к выходу процессора.

Источник опорного напряжения может иметь совмещенный вход для выставления на выходе и первого, и второго значения опорного напряжения.

На фиг.1 изображено устройство для внутритрубной ультразвуковой толщинометрии в одном из конструктивных исполнений;

на фиг. 2 изображена схема, иллюстрирующая измерение времени хода ультразвукового импульса в стенке трубопровода;

на фиг.3 изображена схема, иллюстрирующая ход зондирующих ультразвуковых импульсов на бездефектном участке трубы и на участке с дефектом типа "расслоение";

на фиг.4 изображена измеренная с помощью заявленного устройства зависимость толщины стенки трубопровода от пройденной внутри трубопровода дистанции на некотором участке обследованного трубопровода;

на фиг.5 изображено графическое отображение измеренных данных о толщине стенки трубопровода для некоторого участка обследованного трубопровода, позволяющее идентифицировать сварные швы;

на фиг.6 изображено графическое отображение измеренных данных о толщине стенки трубопровода для некоторого участка обследованного трубопровода, позволяющее идентифицировать коррозионные потери металла;

на фиг.7 изображены характерные электрические импульсы на выходе дифференцирующей цепочки, соответствующие отраженным ультразвуковым импульсам;

на фиг.8 изображена схема, иллюстрирующая измерение времени хода ультразвукового импульса в стенке трубопровода с линией задержки и формирователем импульса заданной длительности;

на фиг. 9 и 10 изображена схема, иллюстрирующая измерение времени хода ультразвукового импульса в стенке трубопровода с триггером, линией задержки и формирователем импульса заданной длительности;

В результате работ по созданию ультразвуковых снарядов-дефектсокопов, позволяющих увеличить дистанцию, контролируемую за один диагностический пропуск и увеличить скорость обработки данных, был разработан представленный внутритрубный ультразвуковой снаряд-дефектоскоп, имеющий исполнения для обследования трубопроводов номинальным диаметром от 10" до 56".

Изготовленные в предпочтительном исполнении снаряды-дефектоскопы имеют проходимость около 85% номинального диаметра трубопровода и минимальный проходимый радиус поворота около 1,5 диаметра трубопровода. Снаряды работают при температурах перекачиваемой среды от 0^oС до +50^oС и выдерживают давление среды до 80 атм. В снарядах реализованы виды взрывозащиты "Взрывонепроницаемая оболочка", "Специальный вид взрывозащиты" при токе потребления аппаратуры снарядов не более 9А.

Внутритрубный ультразвуковой дефектоскоп для обследования трубопровода диаметром 38"-56" с толщиной стенки 4-23,5 мм в одном из предпочтительных конструктивных исполнений изображен на фиг.1 и включает в себя корпус 1, образующий взрывонепроницаемую оболочку, в которой располагаются источник питания и электронная аппаратура для измерений, обработки и хранения получаемых данных измерений на основе бортового компьютера, управляющего работой снаряда-дефектоскопа в процессе его движения внутри трубопровода. В качестве источника питания устанавливаются аккумуляторные батареи или батареи гальванических элементов емкостью до 1000 Ач.

В хвостовой части снаряда установлены ультразвуковые датчики 2, попеременно излучающие и принимающие ультразвуковые импульсы. Установленные на корпусе снаряда полиуретановые манжеты 3 обеспечивают центровку снаряда внутри трубопровода, а также обеспечивают продвижение снаряда потоком перекачиваемой по трубопроводу среды. Колеса установленных на корпусе дефектоскопа одометров 4 прижимаются к внутренней стенке трубопровода. При движении снаряда информация о длине пройденного пути, измеренная одометрами, записывается в накопитель бортового компьютера и позволяет после выполнения диагностического пропуска и обработки накопленных данных определить положение дефектов на трубопроводе и соответственно место последующей экскавации и ремонта трубопровода.

Электронная часть дефектоскопа в наиболее простом исполнении изображена на фиг.2 и включает в себя последовательно подключенные генератор запускающих импульсов 11, датчик 2, усилитель 12, дифференцирующую цепочку 13, компаратор 14, цифровой счетчик 16, процессор 18, накопитель цифровых данных 19, а также источник опорного напряжения 15, тактовый генератор 17.

Источник опорного напряжения 15 имеет первый управляющий вход выставления на выходе первого значения опорного напряжения, второй управляющий вход второго значения опорного напряжения. Счетчик 16 имеет управляющий и счетный входы. Выход компаратора 14 подключен к управляющему входу счетчика 16. Выход тактового генератора 17 подключен к счетному входу счетчика 16.

Выход генератора 11 подключен к входу ультразвукового датчика 2, выход которого подключен к входу усилителя 12. Один из выходов (цифровой выход) генератора запускающих импульсов 11 подключен к первому управляющему входу источника опорного напряжения 15, соответствующего выставлению на выходе источника 15 первого значения опорного напряжения, выход компаратора 14 подключен ко второму управляющему входу источника опорного напряжения 15, соответствующего выставлению на выходе источника 15 второго значения опорного напряжения. Выход источника опорного напряжения 15 подключен к входу опорного (порогового) напряжения компаратора 14.

Устройство работает следующим образом.

Снаряд-дефектоскоп помещают в трубопровод и включают перекачку продукта (нефти, нефтепродукта) по трубопроводу. В процессе движения внутритрубного ультразвукового дефектоскопа внутри трубопровода ультразвуковые датчики периодически испускают ультразвуковые импульсы 24, 27 (фиг.3) частотой 5 МГц, которые частично отражаются от внутренней стенки трубопровода 21, от внешней стенки трубопровода 22 или от области дефекта 23, например расслоения металла в стенке трубы. После испускания ультразвуковых импульсов ультразвуковые датчики переключаются в режим приема отраженных импульсов и принимают импульсы 25, 28, отраженные от внутренней стенки, импульсы 26, отраженные от внешней стенки трубы либо импульсы 29, отраженные от указанной области дефекта стенки.

Фиг.4 иллюстрирует измеренную зависимость толщины стенки трубопровода по длине трубопровода. Участки 31, 32 и 33 на фиг.4 соответствуют участкам трубопровода, на которых используются трубы с различной номинальной толщиной стенки: 10 мм для участка 31, 8,2 мм для участка 32 и 10 мм для участка 33.

По завершении контроля заданного участка трубопровода снаряд-дефектоскоп извлекают из трубопровода и переносят накопленные в процессе диагностического пропуска данные на компьютер вне снаряда.

Последующий анализ записанных данных позволяет идентифицировать дефекты стенки трубопровода и определить их положение на трубопроводе с целью последующего ремонта дефектных участков трубопровода.

На фиг. 5 и 6 представлены фрагменты графического представления данных, полученных в результате диагностического пропуска снаряда-дефектоскопа, позволяющие идентифицировать особенности трубопровода и дефекты его стенок. По оси L фиг. 5, 6 отложена длина трубопровода по его оси, по оси LR отложена длина по периметру в плоскости сечения трубопровода. Черные точки на изображении показывают, что в этих местах на трубе отличие измеренного значения толщины стенки трубы от номинального для данного участка трубопровода больше некоторого порогового значения. На фиг.5 идентифицируются характерные особенности трубопроводов: продольные сварные швы 34 и 35 труб, сварной шов между трубами 36, вантуз 37. На фиг.6 изображены характерные коррозионные дефекты 38 трубопроводов, идентифицируемые в результате контроля трубопровода методом ультразвуковой толщинометрии заявленным способом.

Электрический импульс, соответствующий первому отраженному ультразвуковому импульсу, запускает счетчик 16 (фиг.2) времени хода ультразвука в стенке трубопровода, а импульс, соответствующий второму отраженному ультразвуковому импульсу, останавливает счетчик 16. Полученные данные о времени хода ультразвуковых импульсов, а также данные от других датчиков, включая одометры, преобразуют в процессоре 18 и записывают в накопитель цифровых данных 19 бортового компьютера, выполненный на элементах твердотельной памяти.

Измерение времени хода ультразвуковых импульсов в стенке трубопровода выполняют следующим образом. В наиболее простом варианте реализации, отображенном на фиг.2, в процессе движения снаряда-дефектоскопа внутри трубопровода генератор запускающих импульсов 11 вырабатывает электрические импульсы с заданными параметрами, позволяющими запускать ультразвуковые датчики 2, и запускает датчики 2 на излучение ультразвуковых импульсов в направлении стенки трубопровода. Одновременно или с некоторой временной задержкой импульс с выхода генератора 11 подается на управляющий вход источника опорного напряжения 15, соответствующий выставлению на выходе источника 15 первого значения опорного напряжения 51 (фиг.7). После испускания ультразвуковых импульсов датчики 2 переводятся в режим приема отраженных ультразвуковых импульсов. Датчики 2 принимают отраженные ультразвуковые импульсы и формируют на выходе соответствующие электрические импульсы, которые проходят через дифференцирующую цепочку 13. Характерные импульсы на выходе дифференцирующей цепочки представлены на фиг.7. Момент приема первого отраженного ультразвукового импульса определяется по превышению положительной полуволной 52 первого порогового значения 51 (момент времени 53). Состояние на выходе компаратора 14 (фиг.2) изменяется, счетчик 16 запускается на счет тактовых импульсов с тактового генератора 17, изменяется состояние на втором входе источника опорного напряжения 15, соответствующем выставлению второго порогового значения на компараторе, и на входе опорного напряжения компаратора устанавливается второе пороговое значение 55 (фиг.7). Момент приема второго ультразвукового импульса определяется по достижении отрицательной полуволной 56 второго электрического импульса второго порогового значения 55 (момент времени 57). При этом изменяется состояние на выходе компаратора 14 (фиг.2), счетчик 16 останавливается, и накопленное счетчиком 16 значение числа тактовых импульсов записывается в процессор 18. В процессоре 18 данные от разных датчиков преобразуются и записываются в накопитель 19. Указанное исполнение устройства может быть эффективно использовано для регистрации ультразвуковых импульсов, соответствующих электрическим импульсам с большим коэффициентам затухания, например, для импульсов на фиг.7 при первом пороговом значении -2 В и втором пороговом значении 1,2 В. В предпочтительном исполнении схема преобразования и регистрации импульсов выполнена на микросхемах МАХIМ910 и ПЛИС XILINX серии 5000.

В наилучшем исполнении заявленного устройства (фиг.8) электронная часть включает в себя

последовательно подключенные генератор запускающих импульсов 11, датчик 2, усилитель 12, дифференцирующую цепочку 13, компаратор 14, цифровой счетчик 16, процессор 18, накопитель цифровых данных 19, а также источник опорного напряжения 15, тактовый генератор 17, линию задержки 41 и формирователь импульса заданной длительности 42.

Счетчик 16 имеет управляющий и счетный входы, вход блокирования остановки счета. Выход компаратора 14 подключен к управляющему входу счетчика 16.

Источник опорного напряжения 15 имеет первый управляющий вход выставления на выходе первого значения опорного напряжения, второй управляющий вход второго значения опорного напряжения, вход кода значений, устанавливаемых на выходе значений опорного напряжения, выход процессора 18 подключен к входу кода источника опорного напряжения. Выход источника опорного напряжения 15 подключен к входу опорного (порогового) напряжения компаратора 14.

Выход тактового генератора 17 подключен к счетному входу счетчика 16. Выход компаратора 14 подключен ко второму управляющему входу источника опорного напряжения 15, соответствующего выставлению на выходе источника 15 второго значения опорного напряжения, через линию задержки 41.

Формирователь 42 выполнен в виде счетчика и имеет управляющий вход запуска формирователя, счетный вход и вход кода длительности формируемого импульса. Вход кода длительности формируемого импульса формирователя 42 подключен к выходу процессора 18.

Выход компаратора 14 подключен также к входу запуска формирователя 42, выход которого подключен к входу блокирования остановки счета счетчика 16. Счетный вход формирователя подключен к одному из выходов тактового генератора 17.

Выход процессора 18 подключен к входу генератора запускающих импульсов 11.

Выход процессора 18 подключен к первому управляющему входу источника опорного напряжения 15, соответствующему выставлению на выходе первого значения опорного напряжения.

Линия задержки 41 имеет вход кода значения временной задержки. Выход процессора 18 подключен к входу кода значения временной задержки линии задержки.

Благодаря линии задержки момент изменения порога 54 (фиг.7) отстоит на некоторое время от момента 53 регистрации импульса. В соответствии с программой работы процессора 18 (фиг.8) с его выхода задаются значения опорных напряжений на выходе источника опорных напряжений 15, длительность задержки в линии задержки 41, длительность импульса формирователя 42.

По импульсу с выхода процессора, поступающему на управляющий вход источника опорного напряжения 15 (фиг.8), на выходе источника 15 выставляется первое значение опорного напряжения 0,8 - 1,2 В. При регистрации первого электрического импульса 52 (фиг.7) и соответствующем изменении состояния выхода компаратора 14 (фиг.8) запускается импульс на выходе формирователя 42, который подается на вход блокирования остановки счета счетчика 16. На время указанного импульса изменение состояния на управляющем входе счетчика 16 не приводит к остановке счетчика 16. В момент 54 (фиг.7) на входе опорного напряжения компаратора 14 (фиг.8) выставляется второе значение опорного напряжения 55 (фиг.7) от -0,4 до -0,6 В. По прошествии времени, равного длительности импульса формирователя 42 (фиг.8), счетчик 16 готов остановить счет тактовых импульсов при изменении состояния на управляющем входе. При регистрации второго электрического импульса 52 (момент времени 57) (фиг.7) и изменении состояния выхода компаратора 14 (фиг.8) счетчик 16 останавливается, и накопленное счетчиком 16 значение числа тактовых импульсов записывается в процессор 18. В процессоре 18 данные от разных датчиков преобразуются и записываются в накопитель цифровых данных 19 на Flash- или RAM- элементах памяти.

Указанное исполнение устройства может быть использовано при любом соотношении амплитуд полуволн первых и вторых импульсов.

В другом возможном исполнении заявленного устройства (фиг.9, 10) электронная часть включает в себя:

последовательно подключенные генератор запускающих импульсов 11, датчик 2, усилитель 12, дифференцирующую цепочку 13, компаратор 14, триггер 43, цифровой счетчик 16, процессор 18, накопитель цифровых данных 19, а также источник опорного напряжения 15, тактовый генератор 17, линию задержки 41 и формирователь импульса заданной длительности 42.

Счетчик 16 имеет управляющий и счетный входы. Выход компаратора 14 подключен к управляющему входу счетчика 16 через триггер 43.

Выход тактового генератора 17 подключен к счетному входу счетчика 16.

Источник опорного напряжения 15 имеет первый управляющий вход выставления на выходе первого значения опорного напряжения, второй управляющий вход второго значения опорного напряжения, вход кода значений, устанавливаемых на выходе значений опорного напряжения, выход процессора 18 подключен к входу кода значений источника опорного напряжения. Выход источника опорного напряжения 15 подключен к входу опорного (порогового) напряжения компаратора 14.

Выход компаратора 14 (фиг.9) или выход триггера 43 (фиг.10) подключен ко второму управляющему входу источника опорного напряжения 15, соответствующего выставлению на выходе источника 15 второго значения опорного напряжения, через линию задержки 41.

Формирователь 42 выполнен в виде счетчика и имеет управляющий вход запуска формирователя, счетный вход и вход кода длительности формируемого импульса. Вход кода длительности формируемого импульса формирователя 42 подключен к выходу процессора 18.

Триггер 43 имеет вход блокирования изменения состояния триггера 43. Выход или вход триггера 43 подключен к управляющему входу запуска формирователя 42, выход которого подключен к входу блокирования изменения состояния триггера 43. Счетный вход формирователя подключен к одному из выходов тактового генератора 17.

Выход процессора 18 подключен к входу генератора запускающих импульсов 11.

Выход процессора 18 подключен к первому управляющему входу источника опорного напряжения 15, соответствующему выставлению на выходе первого значения опорного напряжения.

Линия задержки 41 имеет вход кода значения временной задержки. Выход процессора 18 подключен к входу кода значения временной задержки линии задержки.

Благодаря линии задержки момент изменения порога 54 (фиг.7) отстоит на некоторое время от момента 53 регистрации импульса. В соответствии с программой работы процессора 18 (фиг.9, 10) с его выхода задаются значения опорных напряжений в источнике опорных напряжений 15, длительность задержки в линии задержки 41, длительность импульса формирователя 42.

По импульсу с выхода процессора, поступающему на управляющий вход источника опорного напряжения 15, на выходе источника 15 выставляется первое значение опорного напряжения 0,8 - 1,2 В. При регистрации первого электрического импульса 52 (фиг.7) и изменении состояния выхода компаратора 14 (фиг. 9, 10) запускается импульс на выходе формирователя 42, который подается на вход блокирования изменения состояния триггера 43. На время указанного импульса изменение состояния на выходе компаратора 14 не приводит к остановке счетчика 16. В момент 54 (фиг.7) на входе опорного напряжения компаратора 14 (фиг. 9, 10) выставляется второе значение опорного напряжения 55 (фиг.7) от -0,4 до - 0,6 В. По прошествии времени, равного длительности импульса формирователя 42 (фиг.9, 10), счетчик 16 готов остановить счет тактовых импульсов при изменении состояния на выходе компаратора 14. При регистрации второго электрического импульса 52 фиг.7 (момент времени 57) и изменении состояния выхода компаратора 14 (фиг.9, 10) счетчик 16 останавливается, и накопленное счетчиком 16 значение числа тактовых импульсов записывается в процессор 18. В процессоре 18 данные от разных датчиков комбинируются и записываются в накопитель 19.

Источники информации

1. Патент РФ RU 2018817, MПK:G 01 N 29/10, дата публикации 30.08.94.

2. Патент РФ RU 2042946, МПК:G 01 N 29/04, дата публикации 27.08.95.

3. Патент РФ RU 2108569, МПК:G 01 N 29/04, дата публикации 10.04.98.

4. Патент США US 4162635, MПK:G 01 N 29/04, дата публикации 31.07.79.

5. Международная заявка WО 96/13720, MПK:G 01 N 29/10, дата публикации 09.05.96 (патентные документы-аналоги: US 5587534, СА 2179902, ЕР 0741866, AU 4234596, JP 3058352).

6. Европейский патент ЕР 0304053, МПК:G 01 N 29/00, дата публикации 15.03.95 (патентные документы-аналоги: US 4964059, СА 1292306, NО 304398, JP 1050903).

7. Патент США US 5062300, МПК:G 01 N 29/06, дата публикации 05.11.91 (патентные документы-аналоги: СА 1301299, ЕР 0318387, DE 3864497, FR 2623626, JP 2002923).

8. Европейский патент ЕР 0271670, MПК:G 01 N 29/04, дата публикации 13.12.95 (патентные документы-аналоги: US 4909091, СА 1303722, DE 3638936, NО 302322, JP 63221240).

9. Европейский патент ЕР 0616692, МПК:G 01 N 29/10, дата публикации 28.09.94 (патентные документы-аналоги: WО 9312420, US 5635645, СА 2125565, DE 4141123, JP 2695702).

10. Патент США US 5460046, МПК:G 01 N 29/24, дата публикации 24.10.95 (патентные документы-аналоги: ЕР 0684446, JP 7318336).

11. Европейский патент ЕР 0561867, MПK:G 01 N 29/04, дата публикации 26.10.94 (патентные документы-аналоги: WО 9210746, US 5497661, СА 2098480, DE 4040190).