Измерительная система для исследования дефектов нефтепромыслового и нефтезаводского оборудования с помощью сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алтайский государственный университет

Измерительная система для исследования дефектов нефтепромыслового и нефтезаводского оборудования с помощью сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей

Дмитриев Сергей Федорович, кандидат наук, доцент

Жданов Илья Александрович, студент

Катасонов Александр Олегович, студент

Маликов Владимир Николаевич, аспирант

Аннотация

нефтепромысловый оборудование преобразователь неразрушающий

В статье рассмотрены основные этапы разработки сверхминиатюрного преобразователя, предназначенного для неразрушающего контроля нефтепромыслового оборудования. Приведены примеры наиболее распространенных дефектов, возникающих при эксплуатации нефтепромыслового оборудования и возможных последствий данных дефектов. Разработанные преобразователи позволяют эффективно обнаруживать дефекты залегающие на глубине до 5 мм и имеющие линейные размеры от 50 мкм. Приведены основные технические параметры преобразователя и структурная схема аппаратно-программного комплекса.

Введение

Задачи неразрушающего контроля материалов имеют большое значение в современном машиностроении. Особое место в современном машиностроении приобретает задача разработки нефтеоборудования, имеющего высокую эффективность добычи и переработки сырья. Данная проблема не может быть разрешена без тщательного контроля качества всех узлов, составляющих данное оборудование. Нефтепромысловое оборудование имеет крайне специфичные особенности конструкции, связанные с предельными режимами эксплуатации, например, в условиях Крайнего Севера или на значительной глубине при высоких давлении и температуре. При этом возможные последствия аварии подобного оборудования могут привести к катастрофическим последствиям (например, крупнейшая в истории США авария 20 апреля 2010 года в Мексиканском заливе на нефтяной платформе Deepwater Horizon).

Таким образом, контроль качества бурового и нефтепромыслового оборудования в условиях эксплуатации и не требующий остановки добычи, становится крайне актуальной задачей.

В этой связи возникает задача разработки сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей, обеспечивающих возможность обнаружения дефектов на глубине до 5 мм с линейными размерами порядка 100 мкм. Актуальной задачей также является определение формы сердечников, оптимальной для нахождения дефектов различных типов и разработка системы фильтрации, позволяющей снизить уровень помех измерительного сигнала при сканировании.

Конструктивное исполнение и схема работы датчика

На кафедре общей и экспериментальной физике, осуществлена разработка инновационного датчика неразрушающего контроля, реализующего в своей работе бесконтактный метод вихревых токов. Датчик, создан на основе вихретокового преобразователя и способен осуществлять локальный контроль алюминиевых и титановых материалов.

Схема работы измерительной системы представлена на рис. 1. Программный блок генерации сигнала 1 управляет работой генератора 2, который формирует генерируемый сигнал f₁. Затем генерируемый сигнал передается на два последовательно включенных интегратора (3, 4) и поступают на вход усилителя мощности 5, после усиления сигнал переходит на возбуждающие катушки индуктивности вихретоковых преобразователей 6, 7.

Возбуждающие катушки 6,7 вихретоковых преобразователей индуцируют вихревые токи в электропроводящем объекте контроля, находящегося в зоне измерения. Затем измерительные катушки преобразуют параметры объекта контроля в электродвижущую силу несущую информацию о дефектах изделия. Разность выходных напряжений в измерительных катушках 8, 9 преобразователей является сигналом, несущим информацию о дефектах объекта контроля. Сигнал проходит через микрофонный усилитель 10 и через два последовательно подключенных фильтра низких частот 11, 12 и два последовательно подключенных селективных усилителя 13, 14. Фильтры низких частов 11, 12 и селективные усилители 13,14 управляются программным блоком фильтрации 15, виртуально соединенным с программным блоком генерации сигнала 1. После этого сигнал поступает на амплитудный детектор 16, и, проходя через аналого-цифровой преобразователь 17, передается в программный блок обработки сигнала 18 и выводится на экран персонального компьютера в виде результатов измерений.

Рис. 1 Схема работы измерительной системы

Разработанные вихретоковые преобразователи имели три обмотки расположенные на пирамидальном сердечнике выполненном из пермаллоя 81НМА со значением магнитной проницаемости 32 000. Первая из обмоток, измерительная, расположена на острие пирамиды имела диаметр в 50 мкм и выполнялась из проволоки толщиной 5 мкм. Возбуждающая обмотка предназначена для генерации магнитного поля и имела диаметр 0,1 мм. Третья, компенсационная, обмотка предназначена для исключения влияния возбуждающей обмотки и имела диаметр 0,5 мм. Все обмотки содержали по 150 витков. Разработанные ВТП позволяли находить дефекты в алюминиевых и титановых сплавов. Линейный размер дефектов, которые могут быть обнаружены разработанной измерительной системой начинаются от 0,05 мм.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

С целью оценки максимальной глубины залегания и линейных размеров дефектов, для нахождения которых целесообразно использовать вихретоковый метод контроля, были подготовлены образцы с модельными дефектами. Каждый образец сканировался с помощью ряда ВТП, основанных на сердечниках, имеющих различную форму.

Образцы представляли из себя пластины из сплава Al-Mg(Al-94%, Mg-3%). Толщина пластин составляла 5.5 мм. В первой пластине содержалось 6 дефектов в виде прорези толщиной в 0.25 мм, залегающих на глубине 1, 2, 3, 4, 5 и 5.3 мм. Во второй пластине содержалось 6 дефектов в виде углублений, имеющих диаметр 0.05 мм и залегающих на глубине 1, 2, 3, 4, 5 и 5.3 мм.

Рис. 2 Результаты сканирования пластин № 1 и № 2

Результаты дефектоскопии пластины №1 продемонстрировали возможность обнаружения 5 дефектов из 6. Сканирование, произведенное над пластиной №2 позволило обнаружить 2 дефекта из 6 (рис.2.).

Заключение

Таким образом, результаты эксперимента демонстрируют большие возможности метода вихревых токов при исследовании локальных дефектов, скрытых в толще металла. Если ранее вихретоковый метод контроля мог использоваться преимущественно для контроля поверхностных дефектов (трещин, прорезей, нарушения сплошности поверхностного слоя металла), то благодаря использованию сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей и специального программного обеспечения, становится возможным локализовать магнитное поле на малом участке объекта контроля и добиться значительной глубины проникновения поля вглубь исследуемого объекта при подборе соответствующей частоты поля, создаваемого возбуждающей обмоткой.

Список литературы

1. Дмитриев С.Ф., Ишков А.В., Маликов В.Н., Сагалаков А.М. Исследование неоднородных материалов методом вихревых токов // Известия Алтайского государственного университета. 2013. № 1-1 (77). С. 197-201.

2. Polyakov V.V., Dmitriev S.F., Ishkov A.V., Malikov V.N., Kolubaev E.A. Non-destructive testing of aluminum alloys by using miniature eddy-current flaw transducers // Advanced Materials Research. 2014. Т. 880. С. 105-108.

3. Дмитриев C.Ф., Ишков А.В., Маликов В.Н., Сагалаков А.М. Сверхминиатюрные токовихревые преобразователи для исследования переходов металл-диэлектрик // Приборы и техника эксперимента. 2014. № 6. С. 102-103.

4. Поляков В.В., Дмитриев С.Ф., Ишков А.В., Колубаев Е.А., Маликов В.Н. Диагностика композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов с помощью сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей // Известия Алтайского государственного университета. 2013. № 1-2 (77). С. 181-183.

Размещено на Allbest.ru