Способ и устройство для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов

 

Изобретение относится к диагностике сооружаемых и эксплуатируемых в экстремальных условиях труб с ограниченными возможностями доступа. Способ заключается в том, что в трубе со стороны внутренней поверхности через жидкий транспортируемый продукт возбуждают импульсное коаксиальное поле, принимают прошедшие в материале трубы и постоянно переизлучаемые пары импульсов и одиночные, локально переизлучаемые импульсы и измеряют их время прихода и временные интервалы между импульсами в парах, по которым судят о наличии дефектов и параметрах трубы. Дополнительно измеряют длительности и частоты колебаний каждого импульса в парах, по значениям и соотношениям определяют наличие, размеры, характер и степень опасности аномальной зоны, наличие и величину изгибных напряжений в трубе. Устройство содержит излучатель, возбуждающий в материале трубы равномерное по интенсивности и синфазное УЗ поле коаксиальной волны, и два отдельных блока приемных преобразователей, один из которых выполнен в виде цилиндрической обечайки, а другой - в виде конуса. Изобретение позволяет получать новую информацию для повышения точности и достоверности оценки ресурса труб. 2 с. и 11 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой диагностике и может быть использовано при входном контроле труб, предназначенных для ответственных объектов, а также при обследовании эксплуатируемых в экстремальных условиях перегревательных труб парогенераторов, трубопроводов первого контура АЭС и других технологических трубопроводов, с ограниченными возможностями доступа для проведения обследования.

Известен способ ультразвукового контроля состояния труб, заключающийся в том, что в контролируемой трубе возбуждают импульсные ультразвуковые колебания, принимают отраженные сигналы и по ним судят о наличии дефектов, а для обеспечения контроля всего металла трубы, сканирование поверхности по периметру осуществляют вращением трубы вокруг оси таким образом, чтобы зона возбуждения УЗ колебаний перемещалась поперек трубы [1].

Недостатками известного способа являются зависимость выявляемости дефектов от их ориентации и невозможность проведения контроля технологических трубопроводов, а также труб, имеющих внешнее изоляционное покрытие.

Общеизвестно большое количество вариантов устройств для ультразвукового контроля трубопроводов со стороны внутренней поверхности [2, 3, 4]. Известные устройства представляют собой диагностический снаряд, перемещаемый внутри контролируемого трубопровода потоком транспортируемого продукта. На корпусе диагностического снаряда установлены ультразвуковые преобразователи, соединенные в системы для выявления дефектов металла трубопроводов.

Во всех известных диагностических снарядах для контроля технологических и магистральных трубопроводов со стороны внутренней поверхности используется общеизвестный способ контроля, заключающийся во введении ультразвуковых колебаний в металл трубы узким пучком и приеме отраженных от несплошностей сигналов. Преобразователи вводят импульсы УЗ колебаний в материал контролируемого объекта через жидкий транспортируемый продукт, формируя ультразвуковые колебания нормальных или сдвиговых волн, распространяющихся в узком ограниченном секторе, угловые параметры которого определяются размерами пьезоэлемента, материалом и формой призмы или линзы. При этом диагностика всего объема металла трубы достигается применением акустических систем, содержащих большое количество излучающих и приемных преобразователей, располагаемых таким образом, чтобы перекрывались участки поверхности трубы, через которые вводят УЗ импульсы. Для обеспечения выявления разноориентированных дефектов применяют две и более подобных систем. При этом количество используемых ультразвуковых преобразователей, располагаемых под разными углами к оси трубы, может составлять 500 и более, что требует обеспечения определенной последовательности их работы для исключения взаимного влияния.

Недостатки известных способов и устройств очевидны: низкая достоверность контроля, определяемая малой информативностью сигналов и зависимостью выявляемости дефектов от их ориентации, большое энергопотребление, сложность аппаратурной и конструктивной реализации и малый диапазон диаметров контролируемых трубопроводов (не более 20% от номинального). Кроме того, такие устройства не пригодны для диагностики труб малого диаметра.

Известны малогабаритные устройства для дефектоскопии труб малого диаметра, реализующие известные способы контроля узким ультразвуковым лучом со сканированием [5, 6].

Недостатки таких устройств заложены в способах, реализуемых ими: низкая достоверность результатов контроля вследствие зависимости выявляемости дефектов от их ориентации по отношению к направленности приемно-излучающих систем и низкая производительность.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для ультразвукового контроля трубопроводов, содержащее закрепленный на транспортирующем модуле приемно-излучающий ультразвуковой преобразователь, состоящий из установленных в корпусе пьезоэлемента, акустически и механически связанного с ним демпфера и отражателя ультразвуковых волн, выполненного в виде тела вращения и установленного в корпусе преобразователя с излучающей стороны пьезоэлемента соосно последнему [7]. В приемно-излучающем ультразвуковом преобразователе этого известного устройства пьезопреобразователь выполнен из большого количества акустически не связанных между собой пьезоэлементов в виде сегментов, образующих плоское, коническое или иной формы кольцо. Такая конструкция позволяет осуществлять сканирование всей поверхности трубы. При этом возможно одновременное излучение ультразвуковых колебаний всеми сегментами сразу с последовательным или параллельным анализом принимаемых сигналов. Это устройство принято за прототип заявляемого.

Основной недостаток этого и других известных устройств заключается в невозможности выявления плоскостных дефектов, ориентированных вдоль направления распространения ультразвуковых колебаний, что обусловлено применяемой методикой последовательного или параллельного "просмотра" материала трубы в узком секторе, определяемом диаграммой направленности ультразвуковых преобразователей. Дело в том, что даже при одновременном излучении ультразвуковых колебаний всеми пьезоэлементами преобразователя известного устройства, амплитуда и фаза формируемого ультразвукового поля меняются по фронту с периодичностью, определяемой количеством сегментов составного пьезоэлемента, т. е. результирующая диаграмма направленности излучателя представляет собой многолепестковую розетку. Кроме того, использование большого количества приемно-излучающих пьезоэлементов, необходимого для достижения требуемой разрешающей способности контроля, вынуждает размещать их по поверхности круга или конуса с диаметром, близким к величине диаметра трубы, что резко снижает диапазон контролируемых одним устройством труб, а также значительно усложняет настройку акустических систем и снижает достоверность результатов контроля вследствие появления большого количества боковых лепестков в результирующей диаграмме направленности излучения-приема.

Таким образом, ни одно из известных ультразвуковых устройств, реализующих традиционные способы контроля, не может создать в металле трубы равномерное по интенсивности ультразвуковое поле, синфазное по окружности поперечного сечения трубы, что существенно упростило бы решение многих задач диагностики.

Способом, наиболее близким к заявляемому, является известный способ ультразвукового контроля труб и трубопроводов, заключающийся в том, что в контролируемой трубе со стороны внутренней поверхности через жидкий транспортируемый продукт возбуждают импульсы УЗ колебаний в виде синфазной осесимметричной, замкнутой по окружности осевого сечении трубы волны, состоящей из сдвиговой и нормальной компонент; принимают прошедшие в материале трубы и постоянно переизлучаемые вдоль трубы пары импульсов и одиночные, локально переизлучаемые импульсы; измеряют амплитуды одиночного импульса и импульсов в парах, времена прихода первых импульсов в парах и временные интервалы между импульсами в парах и по измеренным параметрам судят о наличии дефектов и состоянии трубы [8]. Этот способ позволяет обнаруживать в стенках трубы дефекты с любой пространственной ориентацией и определять геометрические параметры трубы.

Однако этот способ, имеющий существенные преимущества по сравнению с другими способами, не позволяет обнаруживать "зародыши" дефектов, быстро развивающиеся в условиях эксплуатации и являющиеся причиной внезапных разрушений, бездефектных по результатам традиционных методов контроля труб и трубопроводов.

Особую опасность представляют объекты, у которых приблизился, а в ряде случаев уже наступил срок предполагаемого физического износа оборудования. Для таких объектов острейшую актуальность приобретают методы определения остаточного ресурса, с целью безопасного продления срока их эксплуатации в реальных условиях, часто приводящих к непредсказуемым изменениям свойств материала. Как показывает практика, гарантировать безопасность эксплуатации таких объектов по результатам, полученным с применением только традиционных средств дефектоскопии, невозможно [9]. Дело в том, что дефектоскопия выявляет уже возникшие дефекты материала. Но дефекты - это конечная стадия деградации материала, и часто время, оставшееся до разрушения конструкции, оказывается слишком малым для предотвращения катастрофы, так как процесс "подрастания" дефектов деградирующего материала в условиях эксплуатации слабо изучен и часто развивается лавинообразно. А если взять усталостные разрушения, то и вовсе нельзя говорить о наличии дефектов в общепринятом смысле.

Кроме того, в процессе монтажа или эксплуатации трубопроводов могут возникать локальные тепловые или механические деформации трубы, а также не предусмотренные проектом провисания трубопроводов, вызывающие значительные механические напряжения, не учтенные расчетами конструкции на прочность и приводящие к интенсивным локальным изменениям свойств материала, обуславливающим появление значительного скопления дислокаций - "зародыша" дефекта. Особенно опасны локальные изгибные напряжения, характеризующиеся сменой знака напряжений и большим градиентом на ограниченном участке трубы. Отсутствие информации об участках с аномальными напряжениями не дает возможности правильно прогнозировать ресурс безопасной эксплуатации трубопроводов вследствие низкой достоверности определения степени опасности обнаруженных дефектов, не говоря уже о "зародышах" потенциально опасных дефектов. Все это существенно снижает эффективность результатов дорогостоящей диагностики трубопроводов.

Главной задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности диагностики трубопроводов за счет обнаружения "зародышей" будущих дефектов, обусловленных аномалиями структуры материала, возникшими на стадии изготовления трубы или трубопровода в результате нарушения технологии, а также "зародышей" дефектов, обусловленных усталостной, термической или механической поврежденностью материала трубы и процессами деградации материала при длительной эксплуатации объекта.

Дополнительной, но важной задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является оценка изгибных напряжений, возникших в трубопроводе в процессе его монтажа или развившихся при его эксплуатации.

Второй задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства, реализующего разработанный способ диагностики труб и трубопроводов и обеспечивающего при этом возможность простой и быстрой перестройки ультразвукового устройства при диагностике труб различных диаметров в широком диапазоне, при одновременном упрощении конструктивного выполнения акустической системы внутритрубного диагностического снаряда.

Известно упоминание возможности выявления любых аномалий в стенках трубопровода [10] . Однако там речь идет об аномалиях толщины стенки или качества поверхности трубы, т.е. о поверхностных дефектах, обнаруживаемых по изменению направления отражения УЗ импульсов.

Известны попытки прогнозирования нарушения целостности элементов конструкций [11]. Этот способ основан на создании магнитного поля вокруг вращающихся элементов контролируемого объекта, непрерывном измерении амплитуды и частоты ЭДС индукции переменного магнитного поля, наводимого в деталях объекта, и выявлении отличий этих характеристик от аналогичных характеристик, полученных на бездефектном объекте. Оценку состояния контролируемого объекта проводят по результатам сравнения характеристик.

Совершенно очевидно, что такой способ неприменим для диагностики труб. Кроме того, существенным недостатком этого способа является необходимость сравнения исследуемого объекта с заведомо бездефектным, который работал бы параллельно с исследуемым, что практически невозможно.

Известен также акустический способ обнаружения вновь образованных или растущих трещин, основанный на введении ультразвуковых колебаний в контролируемый объект с помощью постоянно закрепленного на нем излучающего преобразователя и регистрации любых изменений формы сигналов, поступающих на так же постоянно закрепленный приемный преобразователь [12]. В основе этого способа лежит регистрация изменений формы сигналов, которые происходят в результате сложения, по меньшей мере, двух сигналов: прошедшего от излучающего преобразователя до приемного по прямому пути и по ломаному пути с отражением от вновь появившегося дефекта, расположенного в области распространения ультразвуковых колебаний. Следовательно, зародыши дефектов, обусловленные усталостной поврежденностью материала или его деградацией, не являющиеся несплошностью и не дающие отражений, не могут быть выявлены таким способом. Кроме того, необходимость постоянного закрепления преобразователей исключает возможность применения такого способа для решения поставленных задач.

Решение главной задачи достигается тем, что в способе ультразвукового контроля труб и трубопроводов, заключающемся в том, что в контролируемой трубе со стороны внутренней поверхности через жидкий транспортируемый продукт возбуждают импульсы УЗ колебаний в виде синфазной осесимметричной, замкнутой по окружности в поперечном сечении трубы волны, состоящей из нормальной и сдвиговых компонент; принимают прошедшие в материале трубы и постоянно переизлучаемые вдоль трубы пары импульсов и одиночные, локально переизлучаемые импульсы; измеряют амплитуды одиночного импульса и импульсов в парах, времена прихода первых импульсов в парах и временные интервалы между импульсами в парах и по измеренным параметрам судят о наличии дефектов и состоянии трубы, дополнительно измеряют длительности каждого импульса в парах и вычисляют отношения длительностей импульсов к временному интервалу между импульсами в парах, по которым определяют наличие аномальной зоны, являющейся зародышем будущего дефекта.

Кроме того, дополнительно измеряют частоты ультразвуковых колебаний в каждом импульсе в парах, вычисляют разности частот импульсов в парах и отношения разности частот импульсов в парах к разности длительностей этих импульсов, по которым определяют характер и степень опасности аномальной зоны - зарождающегося дефекта.

При этом прием ультразвуковых импульсов в парах осуществляют общим приемным преобразователем или несколькими преобразователями и сравнивают параметры сигналов, принятых соседними преобразователями, а по разнице параметров судят о размерах аномальной зоны.

Кроме того, сравнивают параметры сигналов, принятых диаметрально противоположно расположенными преобразователями, а по разнице параметров судят о наличии изгибных напряжений.

Технический результат решения поставленных задач достигается использованием устройства, реализующего свойства осесимметричных ультразвуковых полей.

Конструктивное решение поставленных задач достигается тем, что в устройстве для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов, содержащем закрепленный на транспортирующем модуле приемно-излучающий ультразвуковой преобразователь, состоящий из корпуса и установленных в нем пьезоэлемента, акустически и механически связанного с ним демпфера и отражателя ультразвуковых волн, выполненного в виде тела вращения и расположенного с излучающей стороны пьезоэлемента соосно последнему, пьезоэлемент приемно-излучающего преобразователя выполнен в виде монолитного плоского кольца, а отражатель установлен в корпусе приемно-излучающего преобразователя на выдвижной штанге, проходящей через сопряженные с ней по диаметру осевые цилиндрические отверстия в корпусе и других элементах приемно-излучающего преобразователя, с возможностью осевых перемещений.

Кроме того, устройство для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов дополнительно снабжено отдельным приемным преобразователем, конструктивно выполненным в виде цилиндрической обечайки, неподвижно закрепленной на внешней цилиндрической поверхности корпуса приемно-излучающего преобразователя.

При этом сам корпус приемно-излучающего преобразователя вместе с закрепленной на нем обечайкой отдельного приемного преобразователя и выдвижной штангой отражателя установлен в корпусе транспортирующего модуля осесимметрично последнему с возможностью осевых перемещений.

Кроме того, устройство для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов дополнительно снабжено другим отдельным приемным преобразователем, конструктивно выполненным в виде усеченного конуса с осесимметричной цилиндрической полостью, и неподвижно закрепленного на внешней цилиндрической поверхности корпуса транспортирующего модуля.

Кроме того, в устройстве для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов один или каждый из дополнительных приемных преобразователей выполнен из акустически и электрически изолированных друг от друга пьезоэлементов.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании УЗ поля коаксиальных волн [13] , обладающего более широкими информативными возможностями, и может быть пояснена описанием варианта устройства для его реализации.

На фиг. 1-7 показаны вариант реализации способа и схемы, поясняющие принципы, используемые в предлагаемом способе ультразвуковой диагностики труб.

На фиг. 1 представлен фрагмент конструкции внутритрубного диагностического снаряда с одним из возможных вариантов ультразвукового устройства для обследования металла трубопроводов, заполненных жидким транспортируемым продуктом; на фиг. 2 - чертеж осевого сечения трубы, показывающий пути распространения ультразвуковых колебаний и поясняющий расчеты углов конусов отражателя и отдельного приемного преобразователя импульсов в парах; на фиг. 3 - схема, поясняющая особенности распространения поля коаксиальной волны в стенках трубы; на фиг. 4 - развертки сечения трубы, поясняющие процесс разрушения коаксиальной волны и принцип выявления аномальных по состоянию металла зон и изгибных напряжений; на фиг. 5 - временной вид импульсов в парах; на фиг. 6 - пример графиков зависимости изменения частот импульсов в парах от механических напряжений; на фиг. 7 - пример графиков зависимости коэффициентов длительности импульсов от механических напряжений.

Излучатель коаксиальной волны (фиг. 1) состоит из плоского кольцевого пьезоэлемента - 1 и акустически связанного с ним демпфера - 2, закрепленных в корпусе - 3 преобразователя. На оси, проходящей через центровое отверстие в корпусе преобразователя, установлен отражатель - 4. После излучения импульса, излучающий преобразователь становится приемным преобразователем отраженных от дефекта сигналов. Прием одиночных импульсов - сигналов, образованных переизлучаемой дефектами коаксиальной волной, осуществляется отдельным приемным преобразователем - 5, конструктивно выполненным в виде охватывающей корпус приемно-излучающего преобразователя обечайки. Отдельный приемный преобразователь - 5 может быть выполнен одноканальным, имея один общий пьезоэлемент, например в виде тонкостенного цилиндра, или многоканальным. В многоканальном варианте приемный преобразователь состоит из акустически и электрически изолированных друг от друга пьезоэлементов. Для определения состояния материала трубы по параметрам импульсов в парах применяется другой отдельный приемный преобразователь - 6, который также может быть выполнен одноканальным или многоканальным. В многоканальном варианте приемный преобразователь состоит из акустически и электрически изолированных друг от друга пьезоэлементов, закрепленных в общем корпусе так, чтобы наилучшим образом выполнялись условия приема переизлученных сигналов. В частности, могут быть использованы сегменты плоских пьезопластин, закрепленных на демпфере в виде расположенного соосно контролируемой трубе конуса с определенным углом при вершине. Весь отдельный приемный преобразователь - 6 крепится на корпусе - 7 транспортирующего модуля диагностического снаряда, который в процессе контроля трубопровода перемещается внутри трубы - 8 потоком транспортируемого продукта - 9, или другим способом. Упругие манжеты - 10 обеспечивают центрирование всего снаряда и ультразвукового устройства относительно оси трубы.

Для обеспечения перестройки ультразвукового диагностического устройства при значительном изменении диаметра контролируемых труб, отражатель - 4 установлен в корпусе - 3 приемно-излучающего преобразователя на выдвижной штанге - 11, проходящей через сопряженные с ней по диаметру осевые цилиндрические отверстия в корпусе и других элементах приемно-излучающего преобразователя, с возможностью осевых перемещений. При этом сам корпус - 3 приемно-излучающего преобразователя вместе с закрепленной на нем обечайкой отдельного приемного преобразователя - 5 и выдвижной штангой отражателя - 11 установлен стороной, противоположной излучающему пьезоэлементу, в корпусе транспортирующего модуля - 7 осесимметрично последнему, с возможностью осевых перемещений.

При переходе на диагностику трубы другого диаметра, отражатель - 4, снабженный выдвижной штангой - 11, и приемно-излучающий преобразователь с обечайкой отдельного приемного преобразователя - 5, закрепленной на цилиндрическом корпусе - 3, перемещают так, чтобы выполнялись условия (см. фиг. 1, 2), при которых нормаль к поверхности трубы в точке отражения акустической оси излучателя от наружной поверхности стенки трубы проходила через середину отдельного приемного преобразователя - 5, а акустическая ось переизлученных УЗ колебаний проходила через центральную область другого отдельного приемного преобразователя - 6.

Геометрические формы (конус, эллипсоид или гиперболоид) и размеры отражателя определяются применяемой методикой ультразвукового контроля и акустическими свойствами транспортируемого трубопроводом продукта.

Поскольку излучающий кольцевой пьезоэлемент и отражатель расположены соосно трубе, отраженное ультразвуковое поле, распространяющееся в пространстве в виде расширяющегося кольца, синфазно падает под заданным углом на внутреннюю стенку трубы с одинаковой интенсивностью по окружности. Причем в любом осевом сечении (см. фиг. 2) углы падения ультразвуковой волны на поверхность трубы будут одинаковыми.

Из чертежа хода УЗ лучей (см. фиг. 2) после несложных рассуждений можно видеть, что угол - 14 - угол раствора конуса отражателя равен: 90^o-β, a угол -15 - угол раствора конуса отдельного приемного блока равен: 90^o-2β. При этом угол β - угол падения УЗ волны на поверхность отражателя определяется применяемой методикой контроля и соотношением: где C_с - скорость ультразвуковых колебаний в жидкой среде; C_т - скорость ультразвуковых колебаний в материале трубы; α - заданный условиями контроля угол ввода.

Способ ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов реализуется предлагаемым устройством следующим образом (фиг. 1 и 2).

Ультразвуковая волна, излученная плоским кольцевым пьезоэлементом - 1 в виде осесимметричного кольца, распространяясь плоскопараллельно поверхности пьезоэлемента, падает на отражатель - 4, который под заданным углом отражает ее в сторону поверхности трубы так, что дальнейшее ее распространение происходит в тороидальном объеме, заключенном между двумя виртуальными соосными коническими поверхностями. При этом расстояние между поверхностями может увеличиваться по мере удаления от отражателя, в случае выполнения его в виде конуса; уменьшаться (фокусирование) при выполнении отражателя в виде эллипсоида и расположения пьезоэлемента на одной из фокальных окружностей эллипсоида; оставаться постоянным при выполнении отражателя в виде гиперболоида.

Прошедшая в стенки трубы - 8 ультразвуковая волна (см. фиг. 3), называемая коаксиальной, представляет собой комбинацию нормальной и двух сдвиговых компонент, создающих в материале трубы колебания ультразвукового давления, векторы которых направлены: - для нормальной компоненты - 16 - под углом ввода в плоскостях осевых сечений трубы (для упрощения, на чертеже вектор нормальной компоненты представлен только одной осевой проекцией); - для окружной сдвиговой компоненты - 17 - по концентрическим окружностям в плоскостях сечения, перпендикулярных оси трубы; - для радиальной сдвиговой компоненты - 18 - по радиусу или по толщине стенки трубы в тех же плоскостях сечения трубы.

При однородности материала по сечению и длине трубы и отсутствии дефектов (см. фиг. 3 и 4а) все компоненты коаксиальной волны синфазно и с одинаковыми для каждого типа компоненты амплитудами ультразвукового давления распространяются вдоль трубы. При этом возможны только толщинные колебания - 18, приводящие к переизлучению коаксиальной волны в жидкость в виде пары следующих друг за другом импульсов, один из которых обусловлен переизлучением нормальной компоненты, а другой - радиальной сдвиговой (см. фиг. 5, где импульсы показаны совмещенными, для подчеркивания различия их параметров). Окружные колебания, т.е. смещения частиц по окружности трубы, отсутствуют, так как соседние участки находятся в одинаковых условиях и напряжения - 17, создаваемые распространяющейся в трубе окружной сдвиговой компонентой коаксиальной волны, оказываются взаимно уравновешенными, т. е. деформация элементарных объемов по окружности практически равна нулю. Нереализованные окружные напряжения сдвиговой компоненты находят выход в усилении толщинных колебаний стенок трубы, являющихся источником переизлучения УЗ энергии коаксиальной волны в виде вторичной коаксиальной волны, распространяющейся в жидкой среде, занимая объем, ограниченный виртуальными коническими поверхностями, в сторону их вершин, где установлен другой отдельный приемный преобразователь - 6, используемый для каналов определения состояния материала трубы. Сигналы, принятые этим отдельным приемным преобразователем, регистрируются в виде вышеупомянутой пары импульсов. При этом времена прихода импульсов пары состоят из двух составляющих, одна из которых одинакова для обоих импульсов и пропорциональна отношению диаметра трубы к скорости ультразвуковых колебаний в жидкости, а вторая - пропорциональна отношению толщины стенки трубы к скорости нормальной составляющей коаксиальной волны в материале трубы - для одного импульса и пропорциональна отношению толщины стенки трубы к скорости сдвиговой волны - для другого импульса. Длительности импульсов и частоты ультразвуковых колебаний (см. фиг. 5) определяются свойствами материала и характеристиками его напряженно-деформированного состояния, причем они будут разными для импульсов, обусловленных нормальной и сдвиговой компонентами, и будут по-разному меняться при изменении состояния и свойств материала [14] . В зависимости от расположения приемного преобразователя порядок прихода импульсов и задержка во времени второго из пары импульсов относительно первого будут меняться, но при фиксированном положении приемного преобразователя порядок расположения и задержка будут неизменными при перемещении диагностического устройства вдоль трубы. Частоты и длительности импульсов, разные для импульсов сдвигового и нормального происхождения, будут постоянными при любом расположении приемного преобразователя и при перемещении диагностического устройства.

При наличии аномальных зон - участков трубы с изменившимися свойствами, вследствие различия сопротивляемости материала, нарушатся условия взаимной компенсации ранее уравновешенных напряжений и картина их распределения изменится (см. фиг. 4б,в). На аномальном участке изменятся частота ультразвуковых колебаний всех компонент коаксиальной волны, скорость их распространения и длительности переизлучаемых импульсов, причем изменения этих параметров будут различными для разных компонент. На фиг. 6 показан пример зависимости относительной частоты "V" от нормальной - V_L(δ) и сдвиговой -V_T(δ) компонент УЗ коаксиальной волны в трубе из алюминия, а на фиг. 7 коэффициент длительности импульсов - относительная длительность импульсов для того же случая.

Таким образом, локальная деградация материала трубы, являющаяся зародышем дефекта, приводит к развалу коаксиальной волны, выражаемому в изменениях параметров импульсов в парах. Эти изменения и известный [14] характер их зависимости от напряженно-деформированного состояния материала трубы позволяет обнаруживать зоны зарождающихся дефектов, затем, сравнивая сигналы, полученные в соседних каналах приемного преобразователя - 6, определять протяженность этих зон и по относительной величине изменения параметров оценивать степень их опасности.

Если при этом проводить сравнение параметров импульсов в парах - сигналов, принимаемых диаметрально противоположными каналами приемного преобразователя - 6, то можно выявить участки трубы, испытывающие изгибные напряжения, и определить значения напряжений. Такие участки характеризуются особой формой изменения векторов напряжений (см. фиг. 4г), а значит и параметров принимаемых сигналов.

Таким образом, в предлагаемом способе используются новые свойства коаксиальных волн - чувствительность к состоянию и однородности материала, впервые исследованные авторами.

Дефекты объемные и плоскостные, ориентированные по окружности, или вдоль оси трубы, или под любым углом к оси трубы выявляются так же, как и в случае использования способа, взятого прототипом.

Главные преимущества предлагаемого способа по сравнению с известным - прототипом, также использующим более информативные УЗ поля коаксиальных волн, позволяющие выявлять разноориентированные дефекты и определять геометрические параметры трубы, заключаются в том, что одной акустической системой обеспечивается возможность обнаружения "зародышей" дефектов, оценки степени их опасности и определения зон с аномальными изгибными напряжениями.

Кроме того, существенным преимуществом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности одновременного приема сигналов дополнительными приемными преобразователями 5 и 6, даже в случае их многоканального выполнения, поскольку в предлагаемом варианте отсутствует взаимное влияние каналов, вследствие использования в устройстве всего одного излучателя, являющегося общим для всех каналов всех приемных преобразователей.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 1824574, кл. G 01 N 29/04, 30.06.1993 г.

2. Я де Раад и др. Контроль и опыт, приобретенные при работе с ультразвуковыми внутритрубными установками. VII Международная конференция "Морская механика и арктическая инженерия", Хьюстон, 1988 г
3. Проспект фирмы Preusag Pipetronix (Германия), 1990 г., с. 10-12.

4. Патент Германии, DE 19502764 A1, кл. G 01 N 29/04, 30.01.95 г.

5. Патент Франции, N 8716353, EP 0318387 A1, кл. G 01 N 29/00, 25.11.87 г.

6. Патент США, N5574223, кл. G 01 N 29/10, 12.11.1996.

7. Заявка PCT, WO 97/09614, G 01 N 29/ 22, 29/26, 13.03.97 г.

8. Патент РФ N2117941, кл. G 01 N 29/04, 20.08.1998.

9. Власов В. Т., Марин Б.Н., Лазуткин А. И. Стратегия повышения эксплуатационной надежности трубопроводов бортовых систем теплоснабжения. Доклад 2.27, 15. Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика", Москва, 28.06.-02.07. 1999 г.

10. Патент Великобритании, заявка GB N 2147102, кл. G 01 N 29/04, 01.05.85 г.

11. Патент РФ N 2020464, кл. G 01 N 29/04, 30.09.1994.

12. Европейский патент, заявка EP N 0106580, кл. G 01 N 29/00, 25.04.84 г.

13. Власов В. Т., Марин Б. Н. Использование коаксиальных волн для повышения достоверности результатов диагностики объектов ответственного назначения. XVI Петербургская конференция "Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций. Информативность и достоверность". Сборник докладов, стр. 191-194, 03.-05.06.98 г.

14. Власов В. Т., Марин Б.Н. Развитие теории ультразвуковых колебаний материалов и изделий. Доклад 7.38, 15. Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика", Москва, 28.06.- 02.07. 1999 г.

Формула изобретения

1. Способ ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов, заключающийся в том, что в контролируемой трубе со стороны внутренней поверхности через жидкий транспортируемый продукт возбуждают импульсы УЗ колебаний в виде синфазной осесимметричной, замкнутой по окружности в поперечном сечении трубы волны, состоящей из сдвиговой и нормальной компонент; принимают прошедшие в материале трубы и постоянно переизлучаемые вдоль трубы пары импульсов и одиночные, локально переизлучаемые импульсы; измеряют амплитуды одиночного импульса и импульсов в парах, времена прихода первых импульсов в парах и временные интервалы между импульсами в парах и по измеренным параметрам судят о наличии дефектов и состоянии трубы, отличающийся тем, что дополнительно измеряют длительности каждого импульса в парах и вычисляют отношения длительностей импульсов к временному интервалу между импульсами в парах, по которым определяют наличие аномальной зоны, являющейся зародышем будущего дефекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют частоты ультразвуковых колебаний в каждом импульсе в парах и вычисляют разности частот импульсов в парах, по которым определяют характер аномальной зоны - зарождающегося дефекта.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно вычисляют отношения разности частот импульсов в парах к разности длительностей этих импульсов, по которым определяют степень опасности аномальной зоны - зарождающегося дефекта.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что прием пар импульсов осуществляют одним общим приемным преобразователем.

5. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что прием пар импульсов осуществляют несколькими преобразователями и сравнивают параметры сигналов, принятых соседними преобразователями, а по разнице параметров судят о размерах аномальной зоны.

6. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что прием пар импульсов осуществляют несколькими преобразователями и сравнивают параметры сигналов, принятых диаметрально противоположно расположенными преобразователями, а по разнице параметров судят о наличии изгибных напряжений.

7. Устройство для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов, содержащее закрепленный на транспортирующем модуле приемно-излучающий ультразвуковой преобразователь, состоящий из корпуса и установленных в нем пьезоэлемента, акустически и механически связанного с ним демпфера и отражателя ультразвуковых волн, выполненного в виде тела вращения и расположенного с излучающей стороны пьезоэлемента, соосно последнему, отличающееся тем, что пьезоэлемент излучающего преобразователя выполнен в виде монолитного плоского кольца.

8. Устройство для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов по п. 7, отличающееся тем, что отражатель установлен в корпусе приемно-излучающего преобразователя на выдвижной штанге, проходящей через сопряженные с ней по диаметру осевые цилиндрические отверстия в корпусе и других элементах приемно-излучающего преобразователя, с возможностью осевых перемещений.

9. Устройство для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов по п.7 или 8, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено отдельным приемным преобразователем, конструктивно выполненным в виде цилиндрической обечайки, неподвижно закрепленной на внешней цилиндрической поверхности корпуса приемно-излучающего преобразователя.

10. Устройство для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов по любому из пп. 7 - 9, отличающееся тем, что корпус приемно-излучающего преобразователя вместе с закрепленной на нем обечайкой отдельного приемного преобразователя и выдвижной штангой отражателя установлен в корпусе транспортирующего модуля осесимметрично последнему с возможностью осевых перемещений.

11. Устройство для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов по любому из пп.7 - 10, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено другим отдельным приемным преобразователем, конструктивно выполненным в виде усеченного конуса с осесимметричной цилиндрической полостью, неподвижно закрепленного на внешней цилиндрической поверхности корпуса транспортирующего модуля.

12. Устройство для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов по любому из пп.7 - 11, отличающееся тем, что один дополнительный приемный преобразователь выполнен из акустически и электрически изолированных друг от друга пьезоэлементов.

13. Устройство для ультразвуковой диагностики труб и трубопроводов по любому из пп.7 - 11, отличающееся тем, что каждый из дополнительных приемных преобразователей выполнен из акустически и электрически изолированных друг от друга пьезоэлементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7