Внутрішній обертальний зонд для контролю труб

Реферат: Винахід належить до методів неруйнівного контролю труб і може бути використаний, зокрема, для вихрострумової дефектоскопії труб теплообмінників в енергетиці, хімічній промисловості, тощо. Внутрішній обертальний зонд для контролю труб складається з корпуса, ротора, накладного первинного перетворювача, схеми обміну сигналами між обертальною і нерухомою частинами зонда, механізмів центрування зонда відносно внутрішньої поверхні труб і кабелю для підключення накладного первинного перетворювача до системи контролю. Схема обміну сигналами складається з нерухомої і обертальної складових, які розміщено на корпусі і роторі відповідно. Ротор встановлено на підшипнику, нерухоме кільце якого закріплено на корпусі. Первинний накладний перетворювач встановлено на роторі і оснащено пружним механізмом притискання його до внутрішньої поверхні контрольованої труби з заданим проміжком. В зонд додатково введено два рушійних колеса, осі яких орієнтовані перпендикулярно осі обертання ротора і зміщені відносно цієї осі у протилежних напрямках. Кожне рушійне колесо оснащено механізмом притискання його до діаметрально протилежних стінок контрольованої труби у вигляді закріпленої на корпусі обойми з пружними елементами. В обох обоймах виконано направляючі пази, в яких з можливістю переміщення у перпендикулярному відносно осі обертання ротора напрямку закріплено осі коліс. На бічній поверхні коліс виконано кільцеві виступи, які фрикційно зв'язані з кінцем вала ротора, який встановлено в корпусі за допомогою підшипника. Винахід дозволяє збільшити чутливість, селективність і локальність контролю за рахунок сканування внутрішньої поверхні труби по спіральній траєкторії. Відсутність в складі зонда двигуна спрощує конструкцію самого зонда і обладнання, так як виключена необхідність подачі напруги живлення. Крім того, це зменшує рівень завад, пов'язаних з роботою двигуна. UA 100441 C2 (12) UA 100441 C2 UA 100441 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до методів неруйнівного контролю труб і може бути використаний, зокрема, для вихрострумової дефектоскопії труб теплообмінників в енергетиці, хімічній промисловості, тощо. В процесі експлуатації в трубах теплообмінників виникають дефекти, які розташовані на зовнішній і внутрішній поверхнях труб. Експлуатаційний контроль труб теплообмінників по всій довжині можливий тільки шляхом введення внутрішнього зонда всередину груби через вхідні отвори. Відомі внутрішні зонди для контролю труб теплообмінників у вигляді прохідних вихрострумових перетворювачів, в яких використовують обмотки вихрострумового перетворювача коаксіальні відносно поверхні труби [1]. Такі зонди вводять всередину труби і просувають вздовж її осі за допомогою спеціальних маніпуляторів. В процесі переміщення вихрострумового зонда реєструють складові сигналів вихрострумового перетворювача, за якими виявляють дефекти. Зонди з коаксіальними обмотками мають просту конструкцію і забезпечують високу продуктивність контролю. Недоліком внутрішніх вихрострумових зондів з прохідними коаксіальними обмотками є невисока чутливість до окружних тріщин, невисока роздільна здатність, а також хибна інтерпретація у випадку декількох дефектів з однаковою аксіальною координатою. Відомі внутрішні зонди для контролю труб, які мають в складі обертальну головку (ротор), на якій розмішений накладний вихрострумовий перетворювач. Вісь чутливості накладного вихрострумового перетворювача орієнована перпендикулярно до внутрішньої стінки контрольованої труби. Ротор за допомогою вала пов'язаний з віссю двигуна. При обертанні вихрострумовий перетворювач сканує внутрішню поверхню труби по спіральній траєкторії [2-4]. Для всіх зондів [2-4] характерним є розташування двигуна за межами контрольованої труби. Такі зонди мають кращу роздільну здатність порівняно зондів з коаксіальними обмотками за рахунок кращої локальності, а також мають кращу чутливість до дефектів різного типу і орієнтації. Недоліком обертальних вихрострумових зондів, в яких двигун розташований за межами контрольованої трубки і пов'язаний з ротором валом, є обмежена можливість контролювати трубки великої довжини, що особливо стосується трубок з малим радіусом кривизни. Відомі вихрострумові зонди для внутрішнього контролю труб, які мають в складі обертальний ротор, на якому розмішений накладний вихрострумовий перетворювач, орієнований в сторону внутрішньої стінки труби. Ротор обертається за допомогою двигуна, який розміщено безпосередньо в корпусі вихрострумового зонда. При обертанні ротора накладний вихрострумовий перетворювач сканує внутрішню поверхню контрольованої труби по спіральній траєкторії [5-7]. Такі обертальні зонди мають переваги при контролі довгих труб з криволінійними" ділянками по всій їх довжині. Недоліком відомих зондів є використання недосконалої схеми обміну сигналами між ротором і нерухомою частиною зонда на основі ковзних контактів [5-7]. Ці ковзні контакти є джерелом сильних завад, які зменшують чутливість контролю. Крім того, ковзні контакти мають обмежену надійність, так як можуть в процесі роботи зношуватись, що обмежує загальний ресурс роботи відомих зондів. Найближчим до запропонованого винаходу є внутрішній обертальний зонд для дефектоскопії труб [8]. Зонд складається з корпуса, двигуна, ротора, накладного вихрострумового перетворювача, схеми обміну сигналами між обертальною і нерухомою частинами зонда, механізму центрування зонда відносно внутрішньої поверхні труб і кабелю для підключення накладного вихрострумового перетворювача до системи контролю. При цьому, схема обміну сигналами між обертальною і нерухомою частинами зонда складається з нерухомої і обертальної складових, які розміщено на корпусі і роторі відповідно. Двигун і механізм центрування з'єднано з корпусом. Вісь двигуна пов'язана з ротором, вісь обертання якого співпадає з віссю контрольованої труби. Ротор встановлений на підшипнику, нерухоме кільце якого закріплено на корпусі. Первинний накладний перетворювач вихрострумового типу встановлено на роторі і забезпечено пружним механізмом притискання його до внутрішньої поверхні контрольованої труби з заданим проміжком. У зонд введено додатковий механізм центрування і другий підшипник, внутрішнє кільце якого закріплено до протилежного від двигуна кінця ротора, а зовнішнє кільце пов'язано з додатковим механізмом центрування. Схема обміну сигналами між обертальною і нерухомою частинами зонда виконана у вигляді обертального трансформатору, обмотки якого розміщено в концентричних пазах на торцевій поверхні тороїдальних магнітодіелектричних осердь прямокутного січення. Недоліком цього зонда є наявність в чого складі двигуна, що ускладнює його конструкцію і апаратуру контролю через необхідність подачі напруги живлення. Конструкцію з двигуном 1 UA 100441 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 складно реалізувати для контролю труб малого внутрішнього діаметру. Крім того, через збільшення рівня завад, пов'язаних з роботою двигуна, зменшується чутливість контролю. Задачею запропонованого винаходу є збільшення чутливості, спрощення конструкції і розширення функціональних можливостей при дефектоскопії труб малого діаметра. Задача досягається тим, що внутрішній обертальний зонд для контролю труб складається з корпуса, ротора, накладного первинного перетворювача, схеми обміну сигналами між обертальною і нерухомою частинами зонда, механізмів центрування зонда відносно внутрішньої поверхні труб і кабелю для підключення накладного первинного перетворювача до системи контролю. Схема обміну сигналам між обертальною і нерухомою частинами зонда складається з нерухомої і обертальної складових, які розміщено на корпусі і роторі відповідно. Ротор встановлено на підшипнику, нерухоме кільце якого закріплено на корпусі. Первинний накладний перетворювач встановлено на роторі і забезпечено пружним механізмом притискання його до внутрішньої поверхні контрольованої труби з заданим проміжком. В зонд додатково введено два рушійних колеса, осі яких орієнтовані перпендикулярно осі обертання ротора і зміщені відносно цієї осі у протилежних напрямках. Кожне рушійне колесо забезпечено механізмом притискання їх до діаметрально протилежних стінок контрольованої труби у вигляді закріпленої на корпусі обойми з пружними елементами. В обох обоймах виконано направляючі пази, в яких з можливістю переміщення у перпендикулярному відносно осі обертання ротора напрямку закріплено осі коліс. На внутрішній поверхні коліс виконано кільцеві виступи, які фрикційно зв'язані з кінцем вала ротора, а кінець вала встановлено на корпусі за допомогою підшипника. Внутрішній обертальний зонд для контролю труб може мати схему обміну сигналами між обертальною і нерухомою частинами зонда у вигляді обертальних трансформаторів. Внутрішній обертальний зонд для контролю труб може мати на протилежному від рушійних коліс кінці ротора додатковий механізм центрування, встановлений на підшипнику, внутрішнє кільце якого закріплено до протилежного від двигуна кінця ротора, а зовнішнє кільце підшипника пов'язано з додатковим механізмом центрування. Внутрішній обертальний зонд для контролю може бути виконаний з первинним накладним перетворювачем вихрострумового типу. На кресленні представлено конструкцію запропонованого внутрішнього обертального зонда для дефектоскопії внутрішньої поверхні труб у варіанті з первинним вихрострумовим перетворювачем трансформаторного типу. Внутрішній обертальний зонд для вихрострумового контролю труб складається з корпуса 1, ротора 2, накладного вихрострумового перетворювача 3 трансформаторного типу, обертальних трансформаторів 4 і 5, механізмів 6 і 7 центрування зонда, кабелю 8 для підключення накладного вихрострумового перетворювача до системи контролю (не показано), двох рушійних коліс 9 і 10 з підшипниками ковзання, двох обойм 11 і 12 з пружними елементами 13 і 14, кільцевих виступів 15 і 16 рушійних коліс, кінця 17 вала ротора, підшипників 18,19 і 20. Вихрострумовий перетворювач 3 встановлено на роторі 2 і забезпечено пружнім елементом 21 для встановлення його робочої поверхні з заданим проміжком відносно внутрішньої поверхні труби 22. Кожний із обертальних трансформаторів 4 і 5 складається з нерухомої 23 і 24 і обертальної 25 і 26 складових, які розміщено на корпусі 1 і роторі 2 відповідно. Нерухомі і рухомі обмотки кожного обертального трансформатора 4 і 5 закладені в концентричні пази на торцевій поверхні тороїдальних магнітодіелектричних осердь прямокутного січення. Механізми центрування 6 встановлено на корпусі 1, а механізм центрування 7 встановлено на підшипнику 20, який закріплено на протилежному від рушійних коліс кінці ротора 2. Підшипник 20 може бути виконаний плаваючим, що покращує проходження криволінійних ділянок труб. Осі обох рушійних коліс 9 і 10 орієнтовано перпендикулярно відносно осі обертання ротора 1 і встановлено з можливістю переміщення в перпендикулярному відносно осі обертання напрямку за допомогою механізму у вигляді закріплених на корпусі 1 обойм 11 і 12 з направляючими пазами, в яких з можливістю переміщення закріплено осі коліс. Кільцеві виступи 15 і 16 на внутрішній поверхні коліс фрикційно зв'язані з кінцем 17 вала ротора, який встановлено на підшипниках 18 і 19. Кабель 8 виконано з жорсткою оболонкою для забезпечення просування обертального зонда вздовж труби за допомогою зовнішнього штовхального механізму (не показано). Розглянемо роботу запропонованого внутрішнього обертального зонда для контролю труб вихрострумовим методом. Обертальний зонд вводять в контрольовану трубу 22 і просувають вздовж труби за допомогою стандартного штовхального механізму (не показано). При просуванні зонда вздовж труби він центрується відносно труби 22 за допомогою пружних елементів механізмів центрування 6 і 7. Рушійні колеса 9 і 10 за допомогою пружних елементів 2 UA 100441 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 13 і 14 притискаються до діаметрально протилежних стінок труби 22 і за рахунок тертя із внутрішньою поверхнею труби обертаються разом з кільцевими виступами 15 і 16. Це призводить до обертання кінця 17 вала ротора 2, який знаходиться у фрикційному зв'язку з кільцевими виступами 15 і 16. При просуванні зонда вздовж труби вихрострумовий перетворювач 3 сканує внутрішню поверхню труби 22 по гвинтовій лінії з кроком (відстань між сусідніми лініями сканування), який регулюють вибором співвідношення між діаметром кінця ротора і діаметром кільцевих виступів в зоні фрикційного контакту. Завдяки наявності двох рушійних коліс, що притиснуті до діаметрально протилежних стінок труби, зонд проходить трубу без перекосів і порушення центрування. Сигнал збудження з генератора системи контролю (не показано) надходить через нерухому 23 і обертальну 25 обмотки обертального трансформатора 4 на обмотку збудження вихрострумового перетворювача 3. Вихідний сигнал з вимірювальної обмотки вихрострумового перетворювача 3 надходить через обертальну 26 і нерухому 24 обмотки обертального трансформатора 5 на вхід системи контролю (не показано). Запропонований внутрішній обертальний зонд для контролю труб дозволяє збільшити чутливість, селективність і локальність контролю за рахунок сканування внутрішньої поверхні труби по спіральній траєкторії. Відсутність в складі зонда двигуна спрощує конструкцію самого зонда і обладнання, так як виключена необхідність подачі напруги живлення. Крім того, це зменшує рівень завад, пов'язаних з роботою двигуна. Запропонований зонд може бути використаний для реалізації інших (крім вихрострумового) фізичних методів контролю. Джерела інформації: 1. Патент 4608534 США. МКИ G01N27/90. Eddy current probe for detecting localized defects in cylindrical components / V. Cecco, H. Ghent (Canada). - № 504977; Заявл. 16.06.1983; Опубл. 26.08.1986; НКИ 324/238. - 7 с. 2. Патент 4441078 США. МКИ G01N27/82. Eddy current apparatus including a probe arm pivoted for movement by centrifugal force for detection faults in a metal plate / J.-C. Lecomte (France); Framatome. - № 182410; Заявл. 26.08.1980; Опубл. 03.04.1984; НКИ 324/219.-4 с. 3. Патент 4855677 США. МКИ G01N27/82. Multiple coil eddy current probe and method of flaw detection / W. G. Clark, M. J. Metala; Westinghous Electric Corp. - № 167289; Заявл. 11.03.1988; Опубл. 08.08.1989; НКИ 324/238.-12 с. 4. Патент 5134367 США. МКИ G01N27/90. Rotating eddy current probe roller head for inspection and profiling tubing having two separate cross wound coils / J. С Griffith, I. G. Masters; Babcock & Wilcox Сотр. - № 671321; Заявл. 19.03.1991; Опубл. 28.07.1992; НКИ 324/220.-5 с. 5. А.с. 748239 СССР. МКИ G01N27/90. Сканирующее устройство для дефектоскопии внутренней поверхности труб / Б. И. Волков, Ю. А. Федорчук, Е. В. Каленик, В. П. Шуховцев. Опубл. 15.07.80., Бюл. № 26.-3 с. 6. А.с. 1326982 СССР. МКИ G01N27/90. Сканирующее устройство для дефектоскопии внутренней поверхности труб / Б. И. Волков, Ю. А. Федорчук, В. А. Агафонов. Опубл. 30.07.87., Бюл. № 28. - 3 с. 7. Патент 4625165 США. МКИ G 01N27/90. Tube inspection probe with rotating eddy current coil / S. Rothstein. - № 558955; Заявл. 07.12.1983; Опубл. 25.11.1986; НКИ 324/220.-8 с. 8. Заявка на винахід № а 2010 15085 від 22.12.2010 р. МПК G01N27/90. Обертальний вихрострумовий зонд для дефектоскопії внутрішньої поверхні труб / В.М. Учанін, Г.О. Шаповалов (Україна); Заявл. 15.12.2010. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Внутрішній обертальний зонд для контролю труб, що складається з корпуса, ротора, накладного первинного перетворювача, схеми обміну сигналами між обертальною і нерухомою частинами зонда, механізмів центрування зонда відносно внутрішньої поверхні труб і кабелю для підключення накладного первинного перетворювача до системи контролю, при цьому схема обміну сигналами між обертальною і нерухомою частинами зонда складається з нерухомої і обертальної складових, які розміщено на корпусі і роторі відповідно, ротор встановлений на підшипнику, нерухоме кільце якого закріплено на корпусі, а первинний накладний перетворювач встановлено на роторі і оснащено пружним механізмом притискання його до внутрішньої поверхні контрольованої труби з заданим проміжком, який відрізняється тим, що додатково містить два рушійних колеса, осі яких орієнтовані перпендикулярно осі обертання ротора і зміщені відносно цієї осі у протилежних напрямках, при цьому кожне рушійне колесо оснащено механізмом притискання його до діаметрально протилежних стінок контрольованої труби у вигляді закріпленої на корпусі обойми з пружними елементами, причому в обох обоймах виконано направляючі пази, в яких з можливістю переміщення у перпендикулярному відносно 3 UA 100441 C2 5 10 осі обертання ротора напрямку закріплено осі коліс, при цьому на бічній поверхні коліс виконано кільцеві виступи, які фрикційно зв'язані з кінцем вала ротора, причому згаданий кінець вала встановлено на корпусі за допомогою підшипника. 2. Внутрішній обертальний зонд для контролю труб за п. 1, який відрізняється тим, що схема обміну сигналами між обертальною і нерухомою частинами зонда виконана у вигляді обертальних трансформаторів. 3. Внутрішній обертальний зонд для контролю труб за п. 1, який відрізняється тим, що на протилежному від рушійних коліс кінці ротора встановлено додатковий механізм центрування, який встановлено на підшипнику, внутрішнє кільце якого закріплено до згаданого кінця ротора, а зовнішнє кільце підшипника пов'язано з додатковим механізмом центрування. 4. Внутрішній обертальний зонд для контролю труб за п. 1, який відрізняється тим, що первинний накладний перетворювач виконаний вихрострумовим. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4