Курсовая работа (т): Внутритрубная ультразвуковая диагностика газонефтепроводов

На поверхности пьезопластины 1 методом осаждения или напыления наносят серебряные или медные электропроводные покрытия, одно из которых с помощью проводника 7 подключается к электрическому разъему ПЭП, а другие - к металлическому корпусу 5. Толщина пьезопластины принимается равной половине длины волны в пьезоматериале на рабочей частоте ПЭП. В прямых ПЭП (рис. 2, а) пьезопластина одной стороной приклеена к демпферу 6, а другой стороной - к протектору 2. Протектор служит для защиты пьезопластины от механических повреждений и должен обладать высокой износостойкостью. Демпфер в свою очередь служит для гашения свободных колебаний пьезопластины и получения коротких импульсов.

Наклонный ПЭП (рис. 2, б) отличается от прямого наличием призмы 8, служащей для ввода упругих волн под углом к поверхности изделия. Угол призмы наклонного преобразователя выбирают таким, чтобы в изделие проходили волны одного типа в интервале между первым и вторым критическими углами. Призму обычно изготовляют из плексигласа, капролона или других материалов с высоким затуханием ультразвука, что обеспечивает быстрое затухание не вошедшей в изделие волны.

Раздельно-совмещенный ПЭП (рис. 2, в) представляет собой сдвоенный наклонный ПЭП с малым углом призмы (обычно не более 10°). Одна половина раздельно-совмещенного ПЭП работает на излучение, а вторая на прием. Для предупреждения прямой передачи сигналов от излучателя к приемнику имеется акустический разделительный экран 9. Угол призмы 8 выбирается в диапазоне от 0...100, что позволяет вводить в изделие волны одного типа без их трансформации. Изменяя углы призмы, их высоту и расстояние между ними, изменяют минимальную и максимальную глубину прозвучивания изделия. Раздельно-совмещенные ПЭП сложнее по конструкции, не являются универсальными (предназначены для конкретных глубин прозвучивания), но имеют значительно более низкий уровень помех.

Помимо рассмотренных выше существует большое число различных специальных пьезопреобразователей. Так, например, для контроля труб (особенно с малой толщиной стенки) применяют раздельно-совмещенные пьезопреобразователи «хордового» типа. Их использование позволяет существенно повысить надежность контроля сварных стыков труб, что является для нефтегазовой отрасли весьма актуальным.

Используют различные способы ввода ультразвуковых колебаний от ПЭП в объект контроля: бесконтактный воздушный способ, контактный способ и иммерсионный способ. Бесконтактный воздушный способ иногда применяют для контроля изделий из пластмассы и композитных материалов; для контроля металлов этот способ не используется из-за большой разницы волновых сопротивлений. Иммерсионный способ предусматривает создание акустического контакта через слой жидкости. Для этого контролируемое изделие необходимо поместить в ванну с жидкостью (водой) либо применить струйный контакт через струю жидкости.

В подавляющем большинстве случаев используют контактный способ с применением контактной смазки (жидкости). Контактная смазка 4 (см. рис. 2) служит для обеспечения акустического контакта и передачи ультразвуковых колебаний в объект контроля 3 и обратно. Толщина смазки должна быть меньше длины волны ультразвука в ней. Это достигается путем прижатия ПЭП к поверхности объекта контроля. Изменение толщины контактной смазки влияет на количественные результаты контроля, поэтому для повышения стабильности результатов при контактном способе контролируемую поверхность предварительно зачищают до шероховатости не хуже Rz40.

Ультразвуковым волнам присущи общие закономерности распространения в соответствии с явлениями дифракции (огибания) и интерференции (сложения). При размерах излучателя, меньших длины волны, от него распространяются сферические волны, и излучение является ненаправленным. Если размеры излучающей пьезопластинки существенно больше размеров длины волны, то ультразвуковые волны будут распространяться в виде направленного пучка. В непосредственной близости от излучателя (в зоне Френеля) пучок волн распространяется почти без расхождения, а интенсивность колебаний вдоль пучка непостоянна, имеет скачкообразный характер и

определяется явлением интерференции. Протяженность ближней зоны rбл определяется скоростью распространения колебаний С в среде, их частотой  и размером (радиусом) а излучающей пластины:

При удалении от излучателя на расстояние r>rбл пучок колебаний распространяется с расхождением под некоторым углом , величина которого определяется соотношение

Интенсивность колебаний в этой зоне (зоне Фраунгофера) вдоль оси пучка будет монотонно убывать в соответствии с закономерностями затухания. Направленность пучка ультразвуковых колебаний улучшается с увеличением произведения af. Интенсивность колебаний в поперечном сечении дальней зоны непостоянна и убывает по направлению от оси пучка к его периферии. Характер изменения интенсивности в зависимости от угла между направлением луча и осью пучка определяется диаграммой направленности излучателя. Длина луча, направленного под некоторым углом к оси пучка, в пределах диаграммы направленности пропорциональна амплитуде колебаний в этом направлении. Поэтому от отражателей (дефектов), расположенных на одинаковом расстоянии от излучателя, но под разными углами к оси пучка, поступают сигналы, разные по амплитуде. Максимальная амплитуда сигнала будет при расположении отражателя на оси пучка. Типовая диаграмма направленности дискового излучателя в полярных координатах приведена на рис 3. За единицу принимают амплитуду звукового давления Uo на оси пучка.

Рисунок 3. Диаграмма направленности дискового изучателя

При уменьшении угла расхождения  увеличивается протяженность ближней зоны rбл. При af/C  0,6 в диаграмме направленности возникают боковые лепестки, в которых сосредоточивается до 20% энергии. В отдельных случаях боковые лепестки могут отражаться от дефектов и давать соответствующие сигналы [7].

3.4 Аппаратура, методы и технология ультразвукового контроля

Обнаружение и измерение имеющихся в конструкции дефектов осуществляют с помощью ультразвуковых дефектоскопов специального или общего назначения. Структурная схема импульсного ультразвукового эходефектоскопа общего назначения приведена на рис. 4.

Импульс ультразвуковых механических колебаний, посылаемых в контролируемое изделие, создается в пьезопреобразователе за счет обратного пьезоэффекта. Для этого на пьезоэлемент пьезопреобразователя подается короткий электрический импульс, вырабатываемый генератором зондирующих импульсов. Отраженный от донной поверхности или от дефекта механический импульс УЗК принимается тем же или другим пьезопреобразователем, работающим в режиме приема, и преобразовывается посредством прямого пьезоэффекта в электрический сигнал. Далее сигнал, усиленный с помощью усилителя, подается на вертикальные отклоняющие элементы экрана, определяющие положение луча на экране дефектоскопа по высоте. Одновременно с генератором зондирующих импульсов запускается генератор развертки, который вырабатывает линейно увеличивающийся (пилообразный) импульс, подаваемый на горизонтальные отклоняющие элементы экрана, для развертки луча в горизонтальной плоскости.

Рисунок 4. Схема ультразвукового дефектоскопа: 1 - пьезопреобразователь, 2 - генератор зондирующих импульсов, 3 - синхронизатор, 4 - генератор горизонтальной развертки, 5 - глубинометр, 6 - блок временной регулировки чувствительности, 7 - усилитель, 8 - автоматический сигнализатор дефектов, 9 - экран дефектоскопа.

Сигналы, поступившие от дефекта (Д) или противоположной стороны изделия (донный сигнал), вместе с зондирующим импульсом появляются на экране дефектоскопа в виде пиков соответствующей амплитуды. Положение этих пиков на горизонтальной оси определяется временем их прихода и зависит от скорости УЗ колебаний в контролируемом изделии, а также глубины залегания дефекта или толщины изделия. С помощью глубиномера по времени прихода импульса и известной скорости распространения колебаний определяются соответственно глубина расположения дефектов и толщина изделия.

Автоматический сигнализатор дефектов (АСД) служит для выработки звукового или светового сигналов при появлении импульса от дефекта выше браковочного уровня. Для компенсации затухания колебаний и выравнивания амплитуд импульсов от равных по размерам, но расположенных на разной глубине дефектов, служит блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Синхронизатор обеспечивает синхронную работу генератора зондирующих импульсов и генератора развертки, а также управляет работой блоков АСД, ВРЧ и глубиномера.

Современные ультразвуковые дефектоскопы позволяют получать на экране различные типы разверток, что существенно повышает информативность результатов контроля. Основной является развертка типа А, пример которой приведен на рис. 4. Развертка типа В позволяет визуализировать расположение дефектов по толщине изделия. Развертка типа С показывает расположение дефектов в плане в пределах проконтролированной зоны.

Наряду с перечисленными выше элементами неотъемлемой составной частью современных дефектоскопов является высокопроизводительный микропроцессор и соответствующее программное обеспечение. Ультразвуковые дефектоскопы последнего поколения, созданные на базе микропроцессорной техники, обладают большими функциональными возможностями. Их электронные и дефектоскопические параметры очень близки, так как во всех приборах используются практически одни и те же электронные компоненты. Помимо функциональных возможностей весьма важны также габариты и масса прибора. Самым легким и малогабаритным среди дефектоскопов общего назначения не только в России, но и в мире, на сегодняшний день является отечественный цифровой ультразвуковой дефектоскоп общего назначения А1212. На рис. 5 представлен дефектоскоп А1212, преобразователь которого установлен на стандартном образце СО-1.

Настройка уровня поисковой и браковочной чувствительности, а также эталонирование основных параметров ультразвуковых дефектоскопов осуществляются с помощью соответствующих стандартных образцов по ГОСТ 14782-86 или специальных стандартных образцов предприятий с искусственными отражателями, имитирующими дефекты. На рис.6. приведен общий вид комплекта стандартных образцов КОУ-2.

Рисунок 5. Ультразвуковой дефектоскоп А1212 совместно со стандартным образцом СО-1

Различные методы ультразвукового контроля отличаются схемами установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, их положением относительно объекта контроля. Применяют теневой, зеркально-теневой, эхо-зеркальный и другие методы. Наиболее широкое распространение получил импульсный эхо-метод, основанный на отражении УЗ колебаний от несплошности и приеме отраженных эхо-сигналов. Амплитуда эхо-сигнала на экране дефектоскопа при этом будет пропорциональна размерам дефекта.

В эхо-методе различают три способа установки пьезопреобразователей:

по раздельной схеме, предусматривающей использование двух пьезопреобразователей, один из которых выполняет функцию излучателя, другой - приемника;

по раздельно-совмещенной схеме, когда излучатель и приемник монтируются в одном корпусе;

по совмещенной схеме, когда один пьезопреобразователь выполняет одновременно функции излучателя и приемника.

Рисунок 6. Комплект стандартных образцов КОУ-2

Последний способ применяют чаще всего. В зависимости от местоположения пьезопреобразователя контроль (прозвучивание) может осуществляться прямым, а также одно- и многократно отраженным лучом. В качестве примера на рис.7. приведены схемы прозвучивания поперечных сечений некоторых типов сварных соединений.

Рисунок 7. Схемы прозвучивания сварных соединений: а - прозвучивание стыкового сварного шва с неудаленным усилием; б- прозвучивание углового сварного шва.

Удаление пьезопреобразователя от сварного шва (l1, l2) определяется соответствующим геометрическим расчетом. Для контроля сварного шва по всей его длине осуществляется соответствующее перемещение пьезопреобразователя (сканирование). При механизированном контроле перемещение осуществляется с помощью механического приводного устройства. При ручном перемещении применяют поперечно-продольный или продольно-поперечный способы сканирования. При поперечно-продольном способе пьезопреобразователь перемещается возвратно-поступательно в направлении, перпендикулярном оси шва или под небольшим углом к ней с шагом t. Шаг сканирования t обычно принимается равным половине диаметра пьезопластинки преобразователя. При продольно-поперечном способе пьезопреобразователь перемещается вдоль шва. В процессе сканирования пьезопреобразователь непрерывно поворачивают на угол 10...15°.

Наиболее надежный способ обнаружения внутренних дефектов реализуется при прозвучивании объекта контроля прямым лучом (см. рис. 7). Вместе с тем при контроле сварных швов с неудаленным усилением прозвучить удается только корень шва и прилегающую к нему зону. Чем больше ширина валика усиления шва, тем меньше контролируемая зона. Особенно остра данная проблема при контроле сварных соединений малой толщины, например тонкостенных труб, где отношение высоты и ширины валиков усиления к толщине контролируемого металла значительно больше, а в центре шва образуется неконтролируемая зона. Кроме того, при контроле труб контактные поверхности пьезопреобразователей необходимо притирать с соответствующим радиусом кривизны.

В последние годы для контроля стыковых сварных соединений труб все шире стали использовать раздельно-совмещенные пьезопреобразователи «хордового» типа, изготовляемые, например, НПП «Политест» (Г.А. Гиллер, Л.Ю. Могильнер). Эти пьезопреобразователи позволяют за счет расхождения ультразвукового пучка в пределах толщины стенки обеспечить практически равномерное (с одинаковой чувствительностью) прозвучивание всего сечения сварного шва прямым лучом и в значительной мере избавиться от помех, возникающих при использовании совмещенного преобразователя: сигналов от неровностей валиков усиления; сигналов, возбуждаемых поверхностными волнами; реверберационных шумов совмещенного пьезопреобразователя.

Такие условия контроля обеспечиваются потому, что призмы раздельно-совмещенного пьезопреобразователя наклоняют в пространстве по отношению к оси трубы под определенными углами, а расстояние между ними 2L (длина хорды) выбирают из соотношения 2L =, где R и  - соответственно радиус кривизны наружной поверхности и толщина стенки трубы.

Контроль сварных стыков труб с помощью раздельно-совмещенного пьезопреобразователя хордового типа производится путем перемещения пьезопреобразователя только вдоль сварного стыка, одновременно совершая при этом незначительные (до ±2 мм) возвратно-поступательные перемещения. Контроль выполняется с каждой стороны сварного шва.

Разнообразие методических приемов ультразвукового контроля различных деталей и элементов обусловливается многообразием их конструктивного исполнения. Для наиболее ответственных деталей и элементов нефтегазового оборудования разработаны соответствующие технологические инструкции, регламентирующие методику их контроля (например, стволов вертлюгов, осей кронблоков, замков бурильных труб, валов турбобуров и др.).

Для механизированного контроля магистральных трубопроводов применяют внутритрубные приборы-дефектоскопы, имеющие большое число преобразователей, расположенных по окружности с определенным шагом (обычно 8 мм). Измерительно-регистрирующая система таких приборов производит циклы измерений через каждые 3 мм по ходу движения, благодаря чему в пределах контролируемого участка трубопровода выполняются миллионы измерений. Обработка результатов измерений на компьютере позволяет выявить участки трубопровода с утонением стенок и наличием наружных и внутренних дефектов.