Дефектоскопия трещин в трубчатых элементах в стволах скважин под высоким давлением с использованием акустической эмиссии

Авторы патента:

РОХАК Тимоти Дж. (US)

G01N29/14 - с использованием акустической эмиссии (G01N 29/06 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2688810:

БЕЙКЕР ХЬЮЗ, Э ДЖИИ КОМПАНИ, ЛЛК (US)

Использование: для испытаний трубчатого компонента. Сущность изобретения заключается в том, что акустико-эмиссионный датчик помещают на трубчатый компонент, и компонент подвергается воздействию возрастающего давления при получении показаний. На некоторых компонентах, таких как поворотные разъемы, должен быть установлен датчик на каждом подвижном компоненте. Во время испытаний давление повышают не более чем в 1,5 раза от максимально допустимого рабочего давления. Сигналы обнаруживаются датчиками, и результаты отображаются графически и коррелируются на диаграммах каротажных показаний длительности времени в зависимости от амплитуды, и каротажных показаний энергии в зависимости от амплитуды для выявления развивающихся трещин. Посторонние шумы, такие как трение, коррозия или утечки, создадут другую диаграмму и могут быть отфильтрованы. Во избежание отказа в работе из-за дальнейшего применения высокого давления подозрительные компоненты утилизируются. Технический результат: обеспечение возможности надежно повторно проверить трубчатый компонент, который подвергался избыточному давлению, а также обеспечить возможность устанавливать предыдущие случаи избыточного давления в отношении данного трубчатого компонента. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[1] Данная область техники представляет собой метод проведения испытаний с использованием акустической эмиссии для обнаружения трещин и утончения стенок в металлическом оборудовании и компонентах, находившихся в потоке под высоким давлением и возвратившихся после операций нагнетания под давлением или явлений с аномально высоким давлением, для определения того, произошло ли повреждение вследствие напряжений.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[2] Металлическое оборудование, используемое в операциях нагнетания под давлением, периодически проверяют на наличие трещин на внешней поверхности и на резьбовых соединениях. В промышленном стандарте для обнаружения трещин используют магнитопорошковую дефектоскопию. Это очень субъективный тест, который иногда дает неточные результаты в зависимости от навыков и квалификации дефектоскописта. Другие способы включают ультразвуковое сканирование всей части с применением поперечной волны или рентгенографию. Оба способа являются дорогостоящими, занимают много времени и требуют участия высококвалифицированного специалиста, не говоря уже о вопросе использования ядерных источников.

[3] Для проверки нефтепромыслового металлического оборудования, работающего в зонах высокого давления, которое вернулось после проведения работ в условиях сильного давления и вибраций, или в случаях, когда на металлическое оборудование оказывалось давление, превышающее расчетные пределы, был необходим более объективный тест. Микротрещины развиваются в зонах с местами концентрации высокого напряжения, а затем распространяются до тех пор, пока не произойдет излом, иногда значительно ниже расчетных пределов. Отказ в работе из-за излома металлического оборудования приводит к производственным потерям, что влечет за собой расходы со стороны оператора и обслуживающей компании или, в худшем случае, приводит к ранениям или гибели людей. При акустической эмиссионной дефектоскопии быстро проверяют весь компонент на наличие трещин, и благодаря ей устраняется субъективная интерпретация результатов.

[4] Акустическая эмиссия представляет собой метод, который использовался для обнаружения трещин в режущих пластинах сверла в US 2013/0166214. Этот метод также используется для определения воздействия коррозии, как показано в US 7246516. Емкости под давлением можно контролировать с помощью акустических эмиссионных испытаний в ядерной энергетической промышленности, как показано в US 3855847. Тем не менее, этот метод контролирует емкость только в условиях непрерывной работы и при давлении значительно ниже расчетных уровней. Данное изобретение подразумевает быстрое наращивание давления выше расчетных пределов для принудительного открытия микротрещин для анализа. Это единственный надежный способ, позволяющий повторно проверить компонент, который подвергался избыточному давлению, а также дающий возможность устанавливать предыдущие случаи избыточного давления в связи с этим компонентом.

[5] Несмотря на длительное существование технологии акустических эмиссий, до сих пор она не применялась таким образом для испытания трубчатого металлического оборудования и компонентов на наличие микротрещин для определения того, подходит ли компонент для дальнейшего обслуживания. Кроме того, при акустической эмиссии можно выполнять сканирование всего корпуса на предмет утончения стенок под воздействием эрозионных и коррозионных жидкостей во время операций закачки. Применяемые в настоящее время способы обнаружения минимальной толщины стенок заключаются в использовании переносных ультразвуковых приборов для проведения выборочных проверок локальных областей, а не всей трубы, из-за чего остаются необнаруженными участки утончения стенки.

[6] В способе согласно данному патенту используют технологию акустической эмиссии для регистрации и анализа ударных волн, возникающих при открытии микротрещин под давлением во время испытаний. Элемент подвергается возрастающему повышению давления, вплоть до 150% от максимально допустимого рабочего давления. Данные собирают, оценивают и отображают на диаграммах, которые отслеживают каротажные показатели длительности времени в зависимости от амплитуды и каротажные показатели энергии в зависимости от амплитуды под воздействием сигналов, генерируемых одним или более датчиками, прикрепленными к металлическому оборудованию. Формы графиков показывают наличие и серьезность трещин, и данные могут быть дополнительно загружены и переданы через программу для предоставления надежного, объективного и последовательного отчета о том, пригоден ли этот компонент или нет. Дополнительный анализ корреляционных участков также будет определять минимальную толщину стенки по всему компоненту. Весь процесс занимает всего несколько минут. Эти и другие аспекты данного изобретения будут более понятны специалистам в данной области техники из обзора подробного описания предпочтительного варианта реализации изобретения и соответствующих графических материалов, при этом следует осознавать, что полный объем изобретения должен определяться прилагаемой формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[7] Акустически-эмиссионный датчик помещают на трубчатый компонент, и компонент при получении показаний подвергается возрастающему давлению. На некоторых компонентах, таких как поворотные разъемы, должен быть установлен датчик на каждом подвижном компоненте. Во время испытаний давление повышают не более чем в 1,5 раза от максимально допустимого рабочего давления. Сигналы обнаруживаются датчиками, и результаты отображаются графически и коррелируются на диаграммах каротажных показаний длительности времени в зависимости от амплитуды и каротажных показаний энергии в зависимости от амплитуды для выявления развивающихся трещин.

Посторонние шумы, такие как трение, коррозия или утечки, создадут другую диаграмму и могут быть отфильтрованы. Во избежание отказа в работе из-за дальнейшего применения высокого давления подозрительные компоненты утилизируются.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[8] На фиг. 1 проиллюстрированы места установки датчиков на вертлюжном соединении.

[9] На фиг. 2 проиллюстрированы места установки датчиков на соединительной муфте.

[10] На фиг. 3 проиллюстрировано место установки датчика в случае коленчатого патрубка.

[11] На фиг. 4 проиллюстрировано место установки датчика в случае крестообразного соединения.

[12] На фиг. 5 проиллюстрировано логарифмическое отображение каротажных показателей энергии в зависимости от амплитуды по каждому сигнальному импульсу в соответствии с испытанием.

[13] На фиг. 6 проиллюстрировано логарифмическое отображение каротажных показателей длительности времени в зависимости от амплитуды по каждому сигнальному импульсу в соответствии с испытанием.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[14] На фиг. 1 проиллюстрированы местоположения датчиков 10, 12, 14, 16 и 18 на всех относительно вращающихся компонентах вертлюжного соединения с несколькими соединениями. На фиг. 2 датчики могут располагаться вблизи любого конца или на противоположных концах 20 и 22. На фиг. 3 проиллюстрировано размещение датчика 24 в середине коленчатого патрубка. На фиг. 4 датчик 26 расположен посередине крестообразного соединения. Датчик должен быть установлен с использованием магнитных прижимов и адекватного средства акустического контакта, наносимого на датчик для улучшения передачи сигнала. Центр поверхности датчика должен быть непосредственно соединен с поверхностью металлического оборудования. Поверхность, контактирующая с поверхностью датчика, должна быть чистой и свободной от твердых частиц. Потеря сигнала может быть вызвана некоторыми типами красок или покрытий, помещением в кожух, геометрическими разрывами и шероховатостью поверхности. В некоторых случаях может потребоваться снизить потерю сигнала путем локального удаления коррозии, краски и тому подобного с поверхности металла.

[15] После калибровки давление постепенно увеличивается, и результирующие сигналы воспринимаются и отображаются в различных форматах. Давление возрастает примерно в 1,5 раза от максимального допустимого рабочего давления для компонента. Шлейф на фиг. 5 указывает на развитие крупной трещины. Форма диаграммы на фиг. 6 вблизи вершины аналогично показывает шлейф как указание на крупную трещину. Второй и меньший шлейф ниже указывает на развитие небольших трещин. Каждый отдельный импульсный сигнал (красные точки на графиках) собирают и анализируют в отдельной программе для определения пригодности/непригодности.

[16] Специалистам в данной области техники будет понятно, что использованные компоненты, повторно используемые после других работ, могли подвергаться давлению или вибрации, которые стали причиной трещин и не могли бы быть обнаруженными во время внешнего визуального осмотра или внутри компонента с использованием бороскопа. Пропускание всех этих компонентов через рентгеновское излучение было бы нерентабельным и требовало бы применения дорогостоящих мер безопасности. Способ согласно данному изобретению позволяет устанавливать акустически-эмиссионный датчик на компонент и поднимать давление до уровня, не превышающего в 1,5 раза максимально допустимое рабочее давление, чтобы определить, существуют ли либо развиваются ли трещины в компоненте в той степени, при которой компонент следует утилизировать, поскольку он создает значительный риск ввиду возможного отказа в работе при его дальнейшем использовании. Трещины могут быть либо на поверхности, либо спрятаны коррозией, либо под поверхностью. Методика генерирования и анализа сигналов является новой в том смысле, что давление возрастает выше расчетного предела для открытия любых микротрещин, которые могли бы привести к отказу в работе и повторной сертификации металлического оборудования, которое подвергалось слишком высокому напряжению в поле. Испытания могут происходить в ремонтном цеху, когда компоненты возвращаются после выполнения операции. Трубчатые элементы, а также соединительные компоненты могут быть испытаны за несколько минут либо по отдельности, либо в виде колонны труб в сборе.

[17] Вышеприведенное описание является иллюстративным изложением предпочтительного варианта реализации изобретения, и специалисты в данной области техники могут делать много модификаций без отхода от сущности изобретения, объем которого должен определяться буквальным и эквивалентным объемом приведенной ниже формулы изобретения.

1. Способ испытаний используемого трубчатого компонента или трубчатого соединения, включающий:

установку по меньшей мере одного акустически-эмиссионного датчика (10, 12, 14, 16 и 18) на трубчатый компонент или трубчатое соединение;

повышение внутреннего давления вплоть до значения в 1,5 раза больше максимально допустимого рабочего давления для трубчатого элемента или трубчатого соединения;

отслеживание сигналов длительности времени в зависимости от амплитуды, или энергии в зависимости от амплитуды, поступающих по меньшей мере от одного указанного датчика;

сопоставление информации по указанному отслеживанию со стандартом для определения того, пригоден или непригоден трубчатый компонент или трубчатое соединение для повторного использования.

2. Способ по п. 1, включающий:

установку множества датчиков в случае, когда у трубчатого соединения есть взаимно подвижные компоненты.

3. Способ по п. 1, включающий:

графическое отображение логарифмических данных о длительности времени в зависимости от амплитуды, или энергии в зависимости от амплитуды, полученных по меньшей мере от одного указанного датчика.

4. Способ по п. 1, включающий:

очистку поверхности трубчатого элемента или трубчатого соединения перед прикреплением по меньшей мере одного указанного датчика.

5. Способ по п. 1, включающий:

расположение центра поверхности по меньшей мере одного указанного датчика непосредственно на наружной поверхности трубчатого элемента или трубчатого соединения.

6. Способ по п. 3, включающий:

определение того, содержит ли указанное графическое отображение один или более шлейфов в качестве индикатора появления трещин.

7. Способ по п. 1, включающий:

использование данных по меньшей мере одного указанного датчика для вычисления минимальной толщины стенки трубчатого элемента или трубчатого компонента.

8. Способ по п. 1, включающий:

открытие в трубчатом элементе или трубчатом компоненте микротрещины, появившейся вследствие указанного повышения внутреннего давления.

9. Способ по п. 1, включающий:

установку по меньшей мере одного указанного магнитно-силового датчика.

10. Способ по п. 1, включающий:

нанесение средства акустического контакта по меньшей мере на один указанный датчик для улучшения передачи сигнала.

11. Способ по п. 1, включающий:

проведение анализа толщины стенки по всему корпусу на основании данных по меньшей мере от одного указанного датчика.

12. Способ по п. 1, включающий:

выполнение указанного сопоставления для трубчатого компонента или трубчатого соединения за несколько минут.

13. Способ по п. 1, включающий:

выполнение указанного сопоставления в ремонтном цеху после того, как трубчатый элемент или трубчатое соединение возвращается после эксплуатации в полевых условиях.

Использование: для акустико-эмиссионной диагностики промышленного оборудования. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют запись и обработку данных акустической эмиссии беспороговым способом, при этом распознавание вида повреждения и оценка годности оборудования к эксплуатации проводится на основании сравнения подобия информативных параметров акустической эмиссии за каждый период работы диагностируемого оборудования.

Способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии и устройство для его осуществления // 2684443

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлических конструкций с использованием метода акустической эмиссии. Способ включает установку n акустических преобразователей, образующих пьезоантенну, калибровку конструкции, регистрацию сигналов акустической эмиссии каждым измерительным каналом, определение скорости распространения сигналов и разности их времен прихода на акустические преобразователи и вычисление по ним координат дефектов.

Способ акустического мониторинга ходовой части транспортного средства // 2683876

Использование: для мониторинга в реальном времени ходовой части транспортных средств. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют получение информации в виде акустического сигнала с ходовой части транспортного средства посредством установленных на ее элементах акустических датчиков, передающих получаемый акустический сигнал в вычислительный модуль, обработку сигнала, получение сведений о состоянии ходовой части, сравнение их с нормативными значениями, выдачу результата, при этом получаемый акустический сигнал разделяют на группы по принципу локализации и относят каждую группу к соответствующему узлу ходовой части, далее обрабатывают сигналы каждой группы в отдельности по индивидуальному алгоритму, получают сведения о характеристиках звукового сигнала и его источнике, о состоянии узлов ходовой части, сравнивают с нормативными значениями для каждого узла, полученными ранее на исправном транспортном средстве, выводят результаты для каждого узла с возможностью вывода информации по каждому элементу узла.

Способ обнаружения дефектов магистральных трубопроводов методом акустической томографии // 2681424

Использование: для неразрушающего контроля и обнаружения дефектов магистральных трубопроводов при их сложнонапряженном состоянии. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют первичное преобразование акустических колебаний с применением бинарного знакового аналого-стохастического квантования.

Способ акустико-эмиссионного контроля конструкций // 2676219

Использование: для диагностики и неразрушающего контроля конструкций, включая изделия из хрупких материалов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения контролируемого объекта, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, при этом предварительно устанавливают порог деформации, равный среднеквадратическому значению деформации при отсутствии внешних воздействий на контролируемый объект, и критическое значение амплитуды сигнала акустической эмиссии, которое определяют как среднее значение амплитуды сигналов от развивающегося дефекта, нагружение контролируемого объекта осуществляют ударной нагрузкой, регистрируют динамические деформации, определяют максимальное значение деформации от удара, по которому оценивают силу воздействия на контролируемый объект, затем постепенно увеличивают ударную нагрузку, но не более 150% от эксплуатационной нагрузки, фиксируют последнее превышение порога деформации, после чего производят регистрацию акустико-эмиссионных сигналов в течение времени релаксации упругих напряжений в контролируемом объекте и при превышении амплитуды сигнала ее критического значения изделие бракуют.

Акустико-эмиссионный способ определения типа дефекта структуры образца из углепластика // 2676209

Использование: для неразрушающего контроля и технической диагностики композиционных материалов на основе углепластиков акустико-эмиссионным методом. Сущность изобретения заключается в том, что сначала на образец из углепластика в область концентратора напряжений устанавливают тензодатчики и преобразователи акустической эмиссии, а затем осуществляют акустико-эмиссионный контроль при ступенчатом статическом нагружении образцов первоначально до нагрузки, при которой тензодатчики фиксируют напряженно-деформированное состояние, соответствующее разрушению матрицы при растяжении и сжатии образца, затем до нагрузки, при которой тензодатчиками фиксируют напряженно-деформированное состояние, соответствующее разрушению матрицы при растяжении и сжатии образца, затем до нагрузки, при которой тензодатчиками фиксируют напряженно-деформированное состояние, соответствующее разрушению волокна.

Способ акустико-эмиссионного контроля дефектов в композиционных конструкциях на основе углепластика // 2674573

Использование: для технической диагностики композиционных материалов на основе углепластиков акустико-эмиссионным методом. Сущность изобретения заключается в том, что сначала осуществляют акустико-эмиссионный контроль при ступенчатом статическом нагружении образцов из углепластика с одинаковым концентратором напряжений до их полного разрушения, определяют времена прихода каждого зарегистрированного сигнала на акустические преобразователи и по разности времен прихода рассчитывают их координаты, фиксируют на каждой ступени нагружения значения медианы амплитуд сигналов из области концентратора и их структурных коэффициентов и рассчитывают пороговые значения для данных параметров, затем осуществляют статическое нагружение испытываемой конструкции из углепластика, фиксируют значения медианы амплитуд сигналов и структурных коэффициентов, сравнивают их с пороговыми значениями.

Способ обработки сигнала акустической эмиссии // 2671152

Использование: для обработки сигналов акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что сигнал, полученный с датчиков акустической эмиссии (АЭ), пропускают через цифровой полосовой фильтр, декомпозируют сигнал на полезную и шумовую составляющую на разных уровнях с помощью Wavelet фильтра, строят огибающую сигнала с помощью преобразования Гильберта и последующим сглаживанием при помощи средней скользящей функции, проводят детектирование импульсов с определением параметров времени зарождения импульса (Т), максимальной амплитуды (А), продолжительности (τ), энергии (P), энтропии (Е) и фрактальной размерности (D), строится аттрактор и wavelet скалограмма и полученные характеристики импульсов и сами импульсы записываются в специальную базу данных структурной устойчивости материалов.

Способ обнаружения утечек в кожухотрубном теплообменном аппарате // 2670222

Способ относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики кожухотрубных теплообменных аппаратов с использованием акустической эмиссии, эксплуатирующихся в контакте с аварийно химически опасными или горючими веществами, и может быть использован для определения утечек в теплообменном аппарате в процессе диагностирования, а также оптимизации процесса поиска мест негерметичности в трубном пучке.

Способ поверхностной закалки стволов орудий // 2668531

Изобретение относится к технологии изготовления стволов артиллерийских орудий. Способ поверхностной закалки внутренней поверхности ствола артиллерийского орудия заключается в том, что на контрольный участок внутренней поверхности ствола воздействуют импульсами лазерного излучателя для нагрева и перевода поверхностного слоя металла в мартенсит с последующим контролем качества закалки.