Способ и устройство для определения неравномерности толщины стенок недоступных трубопроводов

1 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к способу определения неравномерности толщины стенок недоступных металлических трубопроводов и к устройству, предназначенному для осуществления этого способа. Уровень техники В настоящее время трубы, и в особенности подземные или непосредственно недоступные по другим причинам трубопроводы, подвергают контролю с помощью так называемых кротов(зондов, протягиваемых внутри трубопроводов). Кроты обычного типа известны из публикации"Non-destructive Testing Handbook, Second Edition, Volume 10, Non-destructive Testing Overview, American Society for Non-destructive Testing, 1996, стр. 252. При этом цель контроля, по существу, состоит в том, чтобы измерить текущую величину толщины стенки в функции координаты по длине трубы и угловой координаты по окружности. Для этого крот оснащается различными датчиками, например для ультразвукового контроля, контроля утечек и механическими щупами или средствами измерения внутреннего диаметра. Недостатки или ограничивающие факторы при использовании таких кротов могут быть обусловлены перегибами трубы со слишком малыми радиусами кривизны, несоосными стыковыми соединениями со слишком большим углом отклонения между осями, слишком малым внутренним диаметром трубы, слишком резкими перепадами диаметра, а также автономностью системы обработки данных и конструктивной сложностью устройства. Изобретение по патентной заявке ФРГ 4004170 А 1 относится к способу и устройству для отслеживания появления и развития разрывов или трещин в материалах, частях конструкций, строительных деталях, строительных сооружениях или небесных телах, в особенности в областях сейсмического риска или в конструкциях туннелей во время подвижек породы. Однако данный способ предусматривает лишь определение изменений электрического поля. В документе не предусматривается активного способа измерения, при котором по трубе пропускают электрический ток. Изобретение по патентной заявке ФРГ 4105842 А 1 относится к способу локализации соединительных муфт в проложенных под землей ферромагнитных трубопроводах. При этом главной целью является локализация уплотнений или муфт. Способ предусматривает искусственное намагничивание элементов трубопровода с помощью катушки возбуждения в трубопроводе. Пропускания электрического тока не предусматривается. Изобретение по патентной заявке ФРГ 3623588 А 1 относится к способу определения местоположения электрических проводов скры 002668 2 той проводки. Способ предусматривает подсоединение к питающим кабелям электрического генератора тональных частот, при этом поисковый пробник выполняет функцию приемника тональных частот. При этом способе также не предусматривается определение аномалий в трубопроводе посредством пропускания электрического тока. И наконец, из патента США 4048558 известен способ, при котором через металлическую трубу пропускают ток с различными частотами и отслеживают величины импеданса. Сущность изобретения Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа и устройства для определения неравномерности толщины стенок недоступных металлических трубопроводов. Способ и устройство по изобретению позволяют бесконтактным методом и дистанционно определять, является ли толщина стенки контролируемой трубы неравномерной по окружности. Такие отклонения толщины могут возникать, например, изнутри под действием коррозии. Способ и устройство прежде всего предназначены для контроля трубопроводов глубокого заложения под другими слоями. Решение поставленной задачи обеспечивается способом по п.1 формулы изобретения и устройством для осуществления способа в соответствии с п.12 формулы изобретения. В соответствии с изобретением создан свободный от влияния возмущений способ и соответствующее устройство для бесконтактного выявления неравномерности толщины стенок недоступных металлических трубопроводов. Поскольку такая неравномерность вызывается в первую очередь коррозией, способ особенно пригоден для выявления на ранней стадии вызванного коррозией уменьшения толщины стенок в трубопроводах. Способ основывается на том, что через трубу пропускают переменные электрические токи различной частоты. Вследствие того, что глубина проникновения электрического тока в стенку зависит от частоты, в случае наличия дефекта происходит смещение центра тяжести тока и соответствующее изменение величины напряженности магнитного поля, которую измеряют за пределами трубы на расстоянии измерения. Устройство по изобретению является передвижным. В предпочтительном примере осуществления переменные электрические токи имеют две различные составляющие частоты. Предпочтительно измерять магнитные поля на одном и том же месте. Предпочтительно также создавать обе составляющие частоты электрическими токами одинаковой амплитуды и определять численную величину отношения составляющих магнитного поля. Далее в предпочтительном примере осуществления вначале определяют отношения 3 величин магнитного поля к току на отдельных частотах, а затем определяют их отношение и в заключение производят его численную оценку. В этом случае предпочтительно пропускать электрические токи разной частоты через трубу одновременно. Далее, предпочтительно пропускать обратный электрический ток через проводник, который проходит параллельно подлежащей измерениям трубе на достаточном расстоянии от нее. В предпочтительном варианте предусмотрен датчик магнитного поля, который измеряет окружную составляющую магнитного поля. В альтернативном варианте предусмотрен датчик магнитного поля, который измеряет составляющую магнитного поля, проходящую тангенциально к поверхности земли. И наконец,в альтернативном варианте предусмотрен датчик магнитного поля, который измеряет составляющую магнитного поля, проходящую нормально к поверхности земли. В еще одном предпочтительном примере осуществления измерения проводят одновременно с помощью, по меньшей мере, двух датчиков с тем, чтобы определить местоположение трубы. В предельном случае электрический ток самой низкой частоты может быть постоянным током. В устройстве, предназначенном преимущественно для осуществления способа, предпочтительно предусмотрено устройство измерения электрического тока, которое измеряет проходящий через трубу электрический ток. Далее,в предпочтительном варианте устройство обработки данных воспринимает сигнал электрического тока, подаваемый от устройства измерения электрического тока, и определяет численную величину отношения между сигналом магнитного поля и сигналом электрического тока. Перечень фигур Другие преимущества, особенности и возможности использования изобретения будут подробнее описаны ниже на предпочтительных примерах осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 а изображает распределение тока низкой частоты для поперечного сечения трубы,не имеющего дефектов,фиг. 1b изображает распределение тока высокой частоты для поперечного сечения трубы, не имеющего дефектов,фиг. 2 а изображает распределение тока низкой частоты для поперечного ечения трубы с дефектом в виде утончения внизу на внутренней стенке,фиг. 2b изображает распределение тока высокой частоты для поперечного сечения трубы с дефектом в виде утончения внизу на внутренней стенке,фиг. 3 изображает структурную схему устройства для осуществления способа,фиг. 4 изображает электрический сигнал источника тока в функции времени, 002668 4 фиг. 5 а представляет поперечное сечение трубы без дефектов,фиг. 5b представляет поперечное сечение трубы с искусственным дефектом,фиг. 6 изображает диаграмму измерительного сигнала, отражающего участок искусственного дефекта и прилегающую к нему область. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На фиг. 1 а представлено распределение тока низкой частоты на примере поперечного сечения трубы без дефектов. Пропускаемый ток проходит в продольном направлении трубы, то есть перпендикулярно плоскости чертежа. При низких частотах, то есть когда поверхностное проникновение примерно равно или больше толщины стенки трубы, стенка полностью пронизывается током. На фиг. 1b представлен аналогичный случай при использовании тока более высокой частоты. При более высокой частоте ток проникает только в поверхностный слой и проходит на глубине d проникновения. Вследствие симметричности сечения центры 1 и 2 тяжести электрических токов находятся в одной и той же точке. Измерительные точки 3 и 4 также находятся в одном и том же месте. При одинаковой силе тока измерения в измерительных точках 3 и 4 показывают одинаковые величины напряженности магнитного поля. Фиг. 2 а и 2b изображают поперечные сечения трубы с дефектом в виде утончения внизу на внутренней стенке. При достаточно низкой частоте электрический ток равномерно пронизывает всю имеющуюся площадь поперечного сечения стенки трубы. Однако в данном случае из-за несимметричности распределения тока поперечное сечение электрического тока на фиг. 2 а смещено вверх от центра внешней окружности трубы. Фиг. 2b изображает распределение тока при достаточно высокой частоте. Оно не изменяется по сравнению с распределением в трубе без дефектов. Центр тяжести тока совпадает с центром внешней окружности. Расстояние от центра тяжести тока до измерительной точки 3 и 4 меньше для тока низкой частоты и больше для тока высокой частоты. За счет этого при одинаковой силе тока наведенное магнитное поле в измерительной точке 3 при низкой частоте электрического тока имеет более высокую напряженность, чем в измерительной точке 4 при высокой частоте электрического тока. В соответствии со способом по изобретению через подлежащую контролю трубу в продольном направлении пропускают преимущественно переменный электрический ток с различной частотой, но одинаковой амплитудой. Для обеих частот замеряют величины напряженности магнитного поля в одном и том же месте над трубой. Различные величины напряженности магнитного поля указывают на неравномерность толщины стенки. Способ не требует доступа к 5 внутренней полости контролируемой трубы. Электрические токи различной частоты пропускают вдоль контролируемых участков подлежащей контролю трубы. Фиг. 3 изображает принципиальную структурную схему устройства для осуществления способа. Источник 5 тока создает измерительный ток. Электрический ток проходит через проверяемую трубу 6 и возвращается по обратному проводнику 7, расположенному на расстоянии нескольких метров от объекта измерений. Обратный проводник 7 предпочтительно расположен параллельно трубе 6. В электрическую цепь включено измерительное сопротивление 8, падение напряжения на котором является мерой измерительного тока. Эта величина падения напряжения подается к одному каналу анализатора 9 спектра, который служит устройством обработки данных. Второй канал анализатора 9 спектра получает измерительный сигнал от пробника (датчика) 10 магнитного поля. Пробник 10 магнитного поля расположен с возможностью продвижения в направлении X, то есть в продольном направлении трубы. В качестве варианта базового способа измерения в одном из примеров осуществления через объект измерений пропускают два электрических тока различной частоты. На фиг. 4 представлено (не в масштабе) прохождение электрического сигнала в функции времени. Частоты составляют соответственно f1 = 10 Гц иf2 = 10 кГц. Фиг. 5 изображает поперечное сечение трубы длиной 7 м, при этом на фиг. 5 а показано поперечное сечение трубы без дефектов, а на фиг. 5b - поперечное сечение трубы с искусственным дефектом, который проходит по длине от координаты х = -0,5 м до х = +0,5 м. В качестве другого варианта базового способа измерения в еще одном примере осуществления в качестве результата измерений строят диаграмму зависимости не по соотношению величин напряженности магнитного поля на частотах f1 и f2 и одинаковой силе тока, а по уменьшенному на единицу отношению соответствующих величин напряженности магнитного поля к силе тока. На фиг. 6 построена диаграмма этой величины в функции координаты Х датчика. В данном случае датчик находится на расстоянии 55 см снаружи от трубы. Амплитуды тока составляют каждая 6,5 А. Диаграмма на фиг. 6 наглядно показывает наличие искусственного дефекта. Отчетливо видно, что измерительный сигнал имеет более высокую величину,чем область погрешности, которая представлена в виде полосы погрешности в каждой точке измерения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ контроля неравномерности толщины стенок недоступного металлического трубопровода, при котором через трубопровод 6 пропускают в продольном направлении электрические токи, отличающийся тем, что одновременно пропускают переменные электрические токи различной частоты и измеряют создаваемые ими магнитные поля на определенном расстоянии снаружи трубопровода, при этом изменение толщины стенки трубопровода устанавливают по отличию измеренных величин напряженности магнитных полей. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что переменные токи имеют две различные составляющие частоты. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что магнитные поля измеряют в одном и том же месте. 4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем,что обе составляющие частоты создают посредством электрических токов одинаковой амплитуды и производят численную оценку отношения значений составляющих магнитного поля. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что вначале определяют отношения значений магнитного поля к току на отдельных частотах, затем формируют их отношение и в заключение производят его численную оценку. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что обратный электрический ток пропускают через проводник, который проходит параллельно контролируемой трубе. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что предусмотрен датчик магнитного поля, который измеряет окружную составляющую магнитного поля. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что предусмотрен датчик магнитного поля, который измеряет составляющую магнитного поля, проходящую тангенциально к поверхности земли. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что предусмотрен датчик магнитного поля, который измеряет составляющую магнитного поля, проходящую нормально к поверхности земли. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерения проводят одновременно с помощью,по меньшей мере, двух датчиков с тем, чтобы определить местоположение трубы. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрический ток самой низкой частоты является постоянным током. 12. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее источник (5) электрического тока для одновременного пропускания через трубу (6) переменных токов различных частот,по меньшей мере, один пробник (10) магнитного поля для измерения на расстоянии от трубы (6) магнитных полей, создаваемых переменными электрическими токами,устройство (9) обработки данных, которое определяет наличие неравномерности толщины стенки на основании сигнала пробника (10) магнитного поля. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем,что оно содержит устройство измерения электрического тока, которое измеряет проходящий через трубу электрический ток. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем,что устройство (9) обработки данных выполнено с возможностью воспринимать также сигнал 8 электрического тока, подаваемый от устройства измерения электрического тока, и определять численную величину отношения между сигналом магнитного поля и сигналом электрического тока.