Помощь студентам в учебе
ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЛЕГКОСПЛАВНЫХ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЛЕГКОСПЛАВНЫХ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ 14
1.1 Легкосплавные бурильные трубы. Условия работы и требования
к контролю 14
1.2 Методы и средства контроля легкосплавных бурильных труб 20
1.3 Вихретоковый метод измерения толщины стенки немагнитных
объектов 26
Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С НЕМАГНИТНОЙ
ТРУБОЙ 37
2.1 Накладные вихретоковые преобразователи 37
2.2 Описание задачи для построения модели 40
2.3 Численные методы решения задач вихретокового контроля 46
2.4 Построение модели взаимодействия ВТП с немагнитной трубой и
исследование влияющих факторов 57
Выводы по главе 2 66
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА ВТП
ВИХРЕТОКОВОГО ТОЛЩИНОМЕРА 67
3.1 Алгоритм преобразования сигнала ВТП 67
3.2 Программная отстройка от влияния электропроводности материала
объекта контроля 70
Выводы по главе 3 72
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ПРОГРАММНОЙ И АППАРАТНОЙ
РЕАЛИЗАЦИИ ВИХРЕТОКОВОГО ТОЛЩИНОМЕРА 74
4.1 Структурная схема вихретокового толщиномера 75
4.2 Интерфейс вихретокового толщиномера 77
Выводы по главе 4 80
ГЛАВА 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ВИХРЕТОКОВОГО ТОЛЩИНОМЕРА 81
5.1 Первичная настройка 81
5.2 Рабочая настройка 85
5.3 Калибровка 86
Выводы по главе 5 89
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 90
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 92
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 96
ПРИЛОЖЕНИЯ 105
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЛЕГКОСПЛАВНЫХ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ 14
1.1 Легкосплавные бурильные трубы. Условия работы и требования
к контролю 14
1.2 Методы и средства контроля легкосплавных бурильных труб 20
1.3 Вихретоковый метод измерения толщины стенки немагнитных
объектов 26
Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С НЕМАГНИТНОЙ
ТРУБОЙ 37
2.1 Накладные вихретоковые преобразователи 37
2.2 Описание задачи для построения модели 40
2.3 Численные методы решения задач вихретокового контроля 46
2.4 Построение модели взаимодействия ВТП с немагнитной трубой и
исследование влияющих факторов 57
Выводы по главе 2 66
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА ВТП
ВИХРЕТОКОВОГО ТОЛЩИНОМЕРА 67
3.1 Алгоритм преобразования сигнала ВТП 67
3.2 Программная отстройка от влияния электропроводности материала
объекта контроля 70
Выводы по главе 3 72
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ПРОГРАММНОЙ И АППАРАТНОЙ
РЕАЛИЗАЦИИ ВИХРЕТОКОВОГО ТОЛЩИНОМЕРА 74
4.1 Структурная схема вихретокового толщиномера 75
4.2 Интерфейс вихретокового толщиномера 77
Выводы по главе 4 80
ГЛАВА 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ВИХРЕТОКОВОГО ТОЛЩИНОМЕРА 81
5.1 Первичная настройка 81
5.2 Рабочая настройка 85
5.3 Калибровка 86
Выводы по главе 5 89
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 90
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 92
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 96
ПРИЛОЖЕНИЯ 105
Актуальность темы
С быстрыми темпами развития буровых технологий для достижения максимальных технико-экономических показателей возникает необходимость совершенствовать приборы и методы контроля бурового оборудования, в частности легкосплавных бурильных труб (ЛБТ), изготавливаемых из алюминиевых сплавов согласно ISO 15546-2011 и ГОСТ 23786-79. Преимуществами этих труб являются: небольшой вес; высокий коэффициент облегчения в буровом растворе; коррозионная стойкость в агрессивных средах (сероводород и углекислый газ); более высокая по сравнению со стальными бурильными трубами гибкость, облегчающая вписываемость труб в сильно искривленные участки ствола; немагнитность материала, что требуется для проведения инклинометрии скважин. На сегодняшний день вихретоковый и ультразвуковой методы неразрушающего контроля (НК) ЛБТ признаны наиболее эффективными и получили широкое применение. В настоящее время, в соответствии с нормативными документами, контроль толщины стенки таких труб производится с использованием акустического метода, имеющего недостатки, связанные с высокой трудоемкостью и низкой производительностью контроля в условиях буровой площадки. Вихретоковый метод контроля толщины стенки ЛБТ может рассматриваться как альтернативный, свободный от указанных недостатков.
Тело трубы и зона неразъемного трубного соединения наиболее подвержены появлению дефектов при эксплуатации ЛБТ, что может привести к разрушению бурильной колонны (БК). Несмотря на требования российских ГОСТов, предписывающих проведение ультразвукового контроля толщины стенки трубы в нескольких сечениях, часто необходимо получение более подробной информации о состоянии стенки трубы для повышения достоверности контроля и предупреждения аварий. На сегодняшний день, несмотря на большое разнообразие толщиномеров, на рынке отсутствуют мобильные системы для оперативного контроля толщины стенки ЛБТ в полевых условиях, с возможностью получения полной картины ее состояния. Разработка такого оборудования крайне необходима для повышения достоверности контроля, оценки остаточного ресурса и планирования дальнейших действий для обеспечения безаварийной работы.
Цель диссертационной работы и задачи исследования
Цель работы - разработка методов и средств вихретокового контроля толщины стенки бурильных труб в условиях буровой площадки при изменении основных влияющих факторов в широком диапазоне.
Задачи исследования
1. Разработать модель взаимодействия магнитного поля вихретокового преобразователя (ВТП) и немагнитной трубы, позволяющей оценить характер влияния на выходной сигнал преобразователя основных влияющих факторов.
2. Создать алгоритм преобразования сигнала ВТП, позволяющий обеспечить измерение контролируемого параметра объекта в условиях изменения влияющих факторов в широком диапазоне.
3. Разработать средства аппаратной и программной технической реализации многочастотного метода измерения толщины стенки бурильной трубы.
4. Разработать методики первичной и рабочей настройки толщиномера.
Методы исследования
При проведении исследований использовались методы аналоговой и цифровой обработки сигналов, методы аналитического расчета, математического моделирования и анализа, методы визуализации данных.
Научная новизна
Разработана модель взаимодействия магнитного поля вихретокового преобразователя и немагнитной трубы с использованием метода конечных элементов, позволяющая оценить характер воздействия на выходной сигнал преобразователя основных и дополнительных влияющих факторов: толщины стенки трубы, зазора между преобразователем и поверхностью трубы, электропроводности материала, кривизны поверхности трубы, наличия участков с плавным изменением толщины клиновидного характера и с локальным утонением сферической формы, поворота оси преобразователя относительно поверхности трубы, поперечного смещения оси преобразователя.
Предложен многочастотный метод измерения толщины стенки трубы, основанный на использовании в качестве функции преобразования экспериментальной зависимости фазы вносимого напряжения нижней частоты от значения зазора, и толщины стенки, корректируемой в зависимости от изменения фазы вносимого напряжения верхней частоты, обусловленного изменением электропроводности материала.
Доказана эффективность использования в многочастотных вихретоковых толщиномерах метода разделения частотных составляющих сигнала вихретокового преобразователя, основанного на возбуждении в объекте контроля вихревых токов синхронизированных частот и разделении частотных составляющих с использованием импульсных фильтров нижних частот с конечными импульсными характеристиками.
Предложены способы проведения первичной и рабочей настроек вихретокового толщиномера.
Практическая значимость полученных результатов
Разработанный вихретоковый толщиномер позволяет оперативно решать задачи по контролю стенки ЛБТ в диапазоне толщин 5... 15 мм при значении воздушного зазора до 15 мм, обеспечивает погрешность измерения ±5% в рабочем диапазоне и надежное выявление коррозионных и эрозионных поражений, как внутренней, так и внешней поверхности трубы.
Разработанные методы и средства позволяют производить мобильный контроль в условиях буровой площадки.
Используемые алгоритмы преобразования сигналов измерительной информации позволяют проводить измерения в широком диапазоне изменения влияющих факторов и могут быть применены для создания новых мобильных систем вихретокового контроля.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы в научнопроизводственной деятельности ООО «НПК Интроскопия» (г. Томск) при разработке четырехканальной системы вихретокового контроля толщины стенки легкосплавных бурильных труб в условиях буровой площадки.
Адаптированные результаты работы используются для обучения студентов по дисциплине «Методы электрического, магнитного и вихретокового контроля», а также обучения специалистов вихретокового неразрушающего контроля.
Апробация работы
Результаты проведенных исследований обсуждались на научных семинарах в Национальном исследовательском Томском государственном университете, радиофизический факультет (Томск, 2018), Алтайском государственном университете, физико-технический факультет (Барнаул, 2018); в Государственном региональном центре стандартизации, метрологии и испытаний Томской области (Томск, 2018), на Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest 2017 (Бердск, 2017), V Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (Томск, 2016), Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest 2015 (Алтай, 2015), XVI Международной научно-технической конференции «Измерение. Контроль. Информатизация» (Барнаул, 2015).
Публикации
В соответствии с темой диссертации опубликовано 8 печатных работ, 6 из которых в журналах, входящих в перечень ВАК и Scopus. Получено 2 патента на изобретение.
Положения, выносимые на защиту
1. Модель взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с немагнитной трубой, разработанная с помощью метода конечных элементов, позволяет оценить характер влияния изменения основных параметров объекта контроля на сигнал вихретокового преобразователя.
2. Для обеспечения высокой достоверности контроля толщины стенки при широком диапазоне изменений основных влияющих факторов может быть применен многочастотный метод, основанный на использовании в качестве функции преобразования экспериментальной зависимости фазы вносимого напряжения нижней частоты от значения зазора и толщины стенки, корректируемой в зависимости от изменения фазы вносимого напряжения верхней частоты, обусловленного изменением электропроводности.
3. Для разделения частотных составляющих сигнала вихретокового преобразователя толщиномера может быть эффективно использован метод, основанный на возбуждении в объекте контроля вихревых токов синхронизированных частот и разделении частотных составляющих с использованием импульсных фильтров нижних частот с конечными импульсными характеристиками.
4. Проведение первичной и рабочей настроек вихретокового толщиномера обеспечивает достижение требуемых метрологических характеристик в условиях изменений основных влияющих факторов в широком диапазоне.
Личный вклад автора
Разработал модель взаимодействия магнитного поля накладного ВТП с легкосплавной бурильной трубой для исследования влияющих факторов c использованием программного продукта Comsol Multiphysics. Провел экспериментальные исследования для подтверждения адекватности полученной модели. Разработал алгоритм преобразования выходного сигнала ВТП в значение толщины стенки ЛБТ. Написал программу в среде LabView для исполнения алгоритма и визуализации результатов. Участвовал в разработке контрольных образцов, методик первичной настройки, рабочей настройки, калибровки, реализовал их на практике. Проводил лабораторные испытания прототипа вихретокового толщиномера. Адаптировал и внедрял полученные результаты в процесс обучения студентов и специалистов неразрушающего контроля.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 106 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 91 источник, из которых 59 на русском языке, 32 - на иностранных. Работа содержит 5 таблиц и 28 рисунков.
Во введении отражены: актуальность диссертационной работы; положения научной новизны; используемые методы; цели, задачи и направление исследований; представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются методы НК толщины стенки ЛБТ и объект контроля.
Важность своевременного, оперативного и достоверного контроля толщины стенки сложно переоценить, так как разрушение трубы и, как следствие, ствола бурильной колонны приводит к огромным экономическим потерям и рискам, связанным с обеспечением безопасности рабочего персонала.
В соответствии с нормативными документами, используемыми на текущий момент, контроль толщины стенки таких объектов производится при помощи акустического метода контроля, имеющего известные недостатки, связанные с высокой трудоемкостью и низкой производительностью. Вихретоковый метод контроля толщины стенки бурильных труб может рассматриваться как альтернативный метод, свободный от указанных недостатков. С использованием накладных ВТП, достоинствами которых являются универсальность, возможность контроля объектов плоской, цилиндрической и сложной форм с односторонним доступом к объекту контроля, локальность, можно обеспечить высокую разрешающую способность и точно определить зону дефекта при сканировании поверхности объекта контроля.
Сложность решения задачи измерения толщины стенки электропроводящих труб с использованием накладного ВТП обусловлена возможным существенным изменением в реальных условиях контроля толщины стенки зазора между ВТП и поверхностью контролируемой трубы, а также удельной электрической проводимости материала трубы и значительным влиянием этих параметров на сигнал ВТП. Наиболее эффективным способом отстройки от воздействия на результаты вихретокового контроля одновременно нескольких влияющих факторов является использование многочастотного возбуждения вихревых токов.
Во второй главе рассматривается моделирование взаимодействия электромагнитного поля ВТП с немагнитной трубой.
Для исследования влияния на выходной сигнал ВТП таких реально встречающихся при контроле факторов, как изменение зазора между поверхностью ВТП и объектом контроля, изменение электропроводности объекта контроля, линейное и угловое смещение оси симметрии ВТП относительно оси симметрии объекта контроля, отклонение формы объекта контроля от правильной, наличие локальных дефектов и близость края объекта контроля, использованы численные методы, наибольшее применение из которых для рассматриваемого класса задач имеет метод конечных элементов (МКЭ). Преимущества МКЭ при решении задач заключаются в универсальности применения, произвольной форме обрабатываемой области, отсутствии необходимости аппроксимации объекта стандартными геометрическими фигурами, возможности решения несимметричных задач с учетом неоднородности параметров материалов и сред. Результаты математического моделирования при правильном построении и настройке модели достаточно точно совпадают с результатами физического моделирования.
Основные результаты, полученные с помощью указанной модели, графически отображены в виде годографов относительного вносимого напряжения ВТП от изменения указанных параметров объекта контроля.
В третьей главе рассматривается алгоритм преобразования сигнала ВТП толщиномера, позволяющий осуществить эффективную отстройку от влияния на результат измерения толщины объекта основных влияющих факторов. Особенностью решения является использование двухчастотного магнитного поля и экспериментальных функций преобразования, определенных с использованием образцов труб различной толщины стенки с фиксированной удельной электрической проводимостью материала при различных значениях зазора. На первом этапе вычислительного преобразования информативных параметров сигнала ВТП, амплитуды и фазы обоих частот осуществляется вычисление значения зазора, затем вычисляется промежуточное значение толщины стенки в предположении, что удельная электрическая проводимость материала трубы равна удельной электрической проводимости образцов, после чего вычислительные преобразования обеспечивают отстройку от влияния на результат контроля изменений удельной электрической проводимости материала. Для этого вычисляется фаза вносимого напряжения первой частоты при измеренном зазоре и значении удельной электрической проводимости, соответствующей используемым для определения функций преобразования образцам; вычисляется разность фаз между измеренным значением вносимого напряжения первой частоты и значением для используемых при определении функций преобразования образцов труб, и определяется разность фаз второй частоты, зависящая от изменения первой, после чего делается поправка на изменение фазы второй частоты и рассчитывается значение толщины стенки объекта контроля.
В четвертой главе рассматриваются особенности технических решений программной и аппаратной реализации вихретокового толщиномера. Особенностью является то, что в объекте контроля осуществляется возбуждение вихревых токов двух синхронизированных частот. Такое возбуждение позволяет осуществить качественное разделение сигналов ВТП, обусловленных каждой в отдельности частотной составляющей вихревых токов. Схема построена таким образом, что амплитудно-частотная характеристика измерительного канала толщиномера имеет нулевые значения на частотах, кратных разностной частоте, что позволяет обеспечить качественное разделение сигналов разных частот без использования избирательных резонансных усилителей, уменьшение полосы пропускания которых ограничено нестабильностью частотозадающих элементов, характеристики которых даже при тщательном их подборе в значительной мере подвержены влиянию изменений температуры окружающей среды.
В пятой главе рассматривается метрологическое обеспечение разработанного вихретокового толщиномера.
Для корректной работы толщиномера в соответствии с заявленными характеристиками технической документации необходимо выполнить подготовку прибора.
На этапе изготовления выполняется первичная настройка, в соответствии с которой в вычислительный блок записываются данные амплитуды и фазы, определяются коэффициенты функций обратного преобразования, соответствующие значениям толщин контрольных образцов при фиксированных значениях зазора между поверхностью трубы и ВТП. Настройка выполняется в условиях лаборатории.
Перед началом работы с прибором выполняется рабочая настройка, в рамках которой производится балансировка ВТП при отсутствии объекта контроля и запись значения амплитуды первой частоты при нулевом зазоре между ВТП и поверхностью объекта контроля, которое используется в функции вычисления зазора; проверяется отклонение показаний прибора от действительного значения и производится автоматическая корректировка.
Для проверки соответствия между действительным и измеренным значением выполняется калибровка толщиномера на контрольном образце.
С быстрыми темпами развития буровых технологий для достижения максимальных технико-экономических показателей возникает необходимость совершенствовать приборы и методы контроля бурового оборудования, в частности легкосплавных бурильных труб (ЛБТ), изготавливаемых из алюминиевых сплавов согласно ISO 15546-2011 и ГОСТ 23786-79. Преимуществами этих труб являются: небольшой вес; высокий коэффициент облегчения в буровом растворе; коррозионная стойкость в агрессивных средах (сероводород и углекислый газ); более высокая по сравнению со стальными бурильными трубами гибкость, облегчающая вписываемость труб в сильно искривленные участки ствола; немагнитность материала, что требуется для проведения инклинометрии скважин. На сегодняшний день вихретоковый и ультразвуковой методы неразрушающего контроля (НК) ЛБТ признаны наиболее эффективными и получили широкое применение. В настоящее время, в соответствии с нормативными документами, контроль толщины стенки таких труб производится с использованием акустического метода, имеющего недостатки, связанные с высокой трудоемкостью и низкой производительностью контроля в условиях буровой площадки. Вихретоковый метод контроля толщины стенки ЛБТ может рассматриваться как альтернативный, свободный от указанных недостатков.
Тело трубы и зона неразъемного трубного соединения наиболее подвержены появлению дефектов при эксплуатации ЛБТ, что может привести к разрушению бурильной колонны (БК). Несмотря на требования российских ГОСТов, предписывающих проведение ультразвукового контроля толщины стенки трубы в нескольких сечениях, часто необходимо получение более подробной информации о состоянии стенки трубы для повышения достоверности контроля и предупреждения аварий. На сегодняшний день, несмотря на большое разнообразие толщиномеров, на рынке отсутствуют мобильные системы для оперативного контроля толщины стенки ЛБТ в полевых условиях, с возможностью получения полной картины ее состояния. Разработка такого оборудования крайне необходима для повышения достоверности контроля, оценки остаточного ресурса и планирования дальнейших действий для обеспечения безаварийной работы.
Цель диссертационной работы и задачи исследования
Цель работы - разработка методов и средств вихретокового контроля толщины стенки бурильных труб в условиях буровой площадки при изменении основных влияющих факторов в широком диапазоне.
Задачи исследования
1. Разработать модель взаимодействия магнитного поля вихретокового преобразователя (ВТП) и немагнитной трубы, позволяющей оценить характер влияния на выходной сигнал преобразователя основных влияющих факторов.
2. Создать алгоритм преобразования сигнала ВТП, позволяющий обеспечить измерение контролируемого параметра объекта в условиях изменения влияющих факторов в широком диапазоне.
3. Разработать средства аппаратной и программной технической реализации многочастотного метода измерения толщины стенки бурильной трубы.
4. Разработать методики первичной и рабочей настройки толщиномера.
Методы исследования
При проведении исследований использовались методы аналоговой и цифровой обработки сигналов, методы аналитического расчета, математического моделирования и анализа, методы визуализации данных.
Научная новизна
Разработана модель взаимодействия магнитного поля вихретокового преобразователя и немагнитной трубы с использованием метода конечных элементов, позволяющая оценить характер воздействия на выходной сигнал преобразователя основных и дополнительных влияющих факторов: толщины стенки трубы, зазора между преобразователем и поверхностью трубы, электропроводности материала, кривизны поверхности трубы, наличия участков с плавным изменением толщины клиновидного характера и с локальным утонением сферической формы, поворота оси преобразователя относительно поверхности трубы, поперечного смещения оси преобразователя.
Предложен многочастотный метод измерения толщины стенки трубы, основанный на использовании в качестве функции преобразования экспериментальной зависимости фазы вносимого напряжения нижней частоты от значения зазора, и толщины стенки, корректируемой в зависимости от изменения фазы вносимого напряжения верхней частоты, обусловленного изменением электропроводности материала.
Доказана эффективность использования в многочастотных вихретоковых толщиномерах метода разделения частотных составляющих сигнала вихретокового преобразователя, основанного на возбуждении в объекте контроля вихревых токов синхронизированных частот и разделении частотных составляющих с использованием импульсных фильтров нижних частот с конечными импульсными характеристиками.
Предложены способы проведения первичной и рабочей настроек вихретокового толщиномера.
Практическая значимость полученных результатов
Разработанный вихретоковый толщиномер позволяет оперативно решать задачи по контролю стенки ЛБТ в диапазоне толщин 5... 15 мм при значении воздушного зазора до 15 мм, обеспечивает погрешность измерения ±5% в рабочем диапазоне и надежное выявление коррозионных и эрозионных поражений, как внутренней, так и внешней поверхности трубы.
Разработанные методы и средства позволяют производить мобильный контроль в условиях буровой площадки.
Используемые алгоритмы преобразования сигналов измерительной информации позволяют проводить измерения в широком диапазоне изменения влияющих факторов и могут быть применены для создания новых мобильных систем вихретокового контроля.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы в научнопроизводственной деятельности ООО «НПК Интроскопия» (г. Томск) при разработке четырехканальной системы вихретокового контроля толщины стенки легкосплавных бурильных труб в условиях буровой площадки.
Адаптированные результаты работы используются для обучения студентов по дисциплине «Методы электрического, магнитного и вихретокового контроля», а также обучения специалистов вихретокового неразрушающего контроля.
Апробация работы
Результаты проведенных исследований обсуждались на научных семинарах в Национальном исследовательском Томском государственном университете, радиофизический факультет (Томск, 2018), Алтайском государственном университете, физико-технический факультет (Барнаул, 2018); в Государственном региональном центре стандартизации, метрологии и испытаний Томской области (Томск, 2018), на Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest 2017 (Бердск, 2017), V Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (Томск, 2016), Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest 2015 (Алтай, 2015), XVI Международной научно-технической конференции «Измерение. Контроль. Информатизация» (Барнаул, 2015).
Публикации
В соответствии с темой диссертации опубликовано 8 печатных работ, 6 из которых в журналах, входящих в перечень ВАК и Scopus. Получено 2 патента на изобретение.
Положения, выносимые на защиту
1. Модель взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с немагнитной трубой, разработанная с помощью метода конечных элементов, позволяет оценить характер влияния изменения основных параметров объекта контроля на сигнал вихретокового преобразователя.
2. Для обеспечения высокой достоверности контроля толщины стенки при широком диапазоне изменений основных влияющих факторов может быть применен многочастотный метод, основанный на использовании в качестве функции преобразования экспериментальной зависимости фазы вносимого напряжения нижней частоты от значения зазора и толщины стенки, корректируемой в зависимости от изменения фазы вносимого напряжения верхней частоты, обусловленного изменением электропроводности.
3. Для разделения частотных составляющих сигнала вихретокового преобразователя толщиномера может быть эффективно использован метод, основанный на возбуждении в объекте контроля вихревых токов синхронизированных частот и разделении частотных составляющих с использованием импульсных фильтров нижних частот с конечными импульсными характеристиками.
4. Проведение первичной и рабочей настроек вихретокового толщиномера обеспечивает достижение требуемых метрологических характеристик в условиях изменений основных влияющих факторов в широком диапазоне.
Личный вклад автора
Разработал модель взаимодействия магнитного поля накладного ВТП с легкосплавной бурильной трубой для исследования влияющих факторов c использованием программного продукта Comsol Multiphysics. Провел экспериментальные исследования для подтверждения адекватности полученной модели. Разработал алгоритм преобразования выходного сигнала ВТП в значение толщины стенки ЛБТ. Написал программу в среде LabView для исполнения алгоритма и визуализации результатов. Участвовал в разработке контрольных образцов, методик первичной настройки, рабочей настройки, калибровки, реализовал их на практике. Проводил лабораторные испытания прототипа вихретокового толщиномера. Адаптировал и внедрял полученные результаты в процесс обучения студентов и специалистов неразрушающего контроля.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 106 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 91 источник, из которых 59 на русском языке, 32 - на иностранных. Работа содержит 5 таблиц и 28 рисунков.
Во введении отражены: актуальность диссертационной работы; положения научной новизны; используемые методы; цели, задачи и направление исследований; представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются методы НК толщины стенки ЛБТ и объект контроля.
Важность своевременного, оперативного и достоверного контроля толщины стенки сложно переоценить, так как разрушение трубы и, как следствие, ствола бурильной колонны приводит к огромным экономическим потерям и рискам, связанным с обеспечением безопасности рабочего персонала.
В соответствии с нормативными документами, используемыми на текущий момент, контроль толщины стенки таких объектов производится при помощи акустического метода контроля, имеющего известные недостатки, связанные с высокой трудоемкостью и низкой производительностью. Вихретоковый метод контроля толщины стенки бурильных труб может рассматриваться как альтернативный метод, свободный от указанных недостатков. С использованием накладных ВТП, достоинствами которых являются универсальность, возможность контроля объектов плоской, цилиндрической и сложной форм с односторонним доступом к объекту контроля, локальность, можно обеспечить высокую разрешающую способность и точно определить зону дефекта при сканировании поверхности объекта контроля.
Сложность решения задачи измерения толщины стенки электропроводящих труб с использованием накладного ВТП обусловлена возможным существенным изменением в реальных условиях контроля толщины стенки зазора между ВТП и поверхностью контролируемой трубы, а также удельной электрической проводимости материала трубы и значительным влиянием этих параметров на сигнал ВТП. Наиболее эффективным способом отстройки от воздействия на результаты вихретокового контроля одновременно нескольких влияющих факторов является использование многочастотного возбуждения вихревых токов.
Во второй главе рассматривается моделирование взаимодействия электромагнитного поля ВТП с немагнитной трубой.
Для исследования влияния на выходной сигнал ВТП таких реально встречающихся при контроле факторов, как изменение зазора между поверхностью ВТП и объектом контроля, изменение электропроводности объекта контроля, линейное и угловое смещение оси симметрии ВТП относительно оси симметрии объекта контроля, отклонение формы объекта контроля от правильной, наличие локальных дефектов и близость края объекта контроля, использованы численные методы, наибольшее применение из которых для рассматриваемого класса задач имеет метод конечных элементов (МКЭ). Преимущества МКЭ при решении задач заключаются в универсальности применения, произвольной форме обрабатываемой области, отсутствии необходимости аппроксимации объекта стандартными геометрическими фигурами, возможности решения несимметричных задач с учетом неоднородности параметров материалов и сред. Результаты математического моделирования при правильном построении и настройке модели достаточно точно совпадают с результатами физического моделирования.
Основные результаты, полученные с помощью указанной модели, графически отображены в виде годографов относительного вносимого напряжения ВТП от изменения указанных параметров объекта контроля.
В третьей главе рассматривается алгоритм преобразования сигнала ВТП толщиномера, позволяющий осуществить эффективную отстройку от влияния на результат измерения толщины объекта основных влияющих факторов. Особенностью решения является использование двухчастотного магнитного поля и экспериментальных функций преобразования, определенных с использованием образцов труб различной толщины стенки с фиксированной удельной электрической проводимостью материала при различных значениях зазора. На первом этапе вычислительного преобразования информативных параметров сигнала ВТП, амплитуды и фазы обоих частот осуществляется вычисление значения зазора, затем вычисляется промежуточное значение толщины стенки в предположении, что удельная электрическая проводимость материала трубы равна удельной электрической проводимости образцов, после чего вычислительные преобразования обеспечивают отстройку от влияния на результат контроля изменений удельной электрической проводимости материала. Для этого вычисляется фаза вносимого напряжения первой частоты при измеренном зазоре и значении удельной электрической проводимости, соответствующей используемым для определения функций преобразования образцам; вычисляется разность фаз между измеренным значением вносимого напряжения первой частоты и значением для используемых при определении функций преобразования образцов труб, и определяется разность фаз второй частоты, зависящая от изменения первой, после чего делается поправка на изменение фазы второй частоты и рассчитывается значение толщины стенки объекта контроля.
В четвертой главе рассматриваются особенности технических решений программной и аппаратной реализации вихретокового толщиномера. Особенностью является то, что в объекте контроля осуществляется возбуждение вихревых токов двух синхронизированных частот. Такое возбуждение позволяет осуществить качественное разделение сигналов ВТП, обусловленных каждой в отдельности частотной составляющей вихревых токов. Схема построена таким образом, что амплитудно-частотная характеристика измерительного канала толщиномера имеет нулевые значения на частотах, кратных разностной частоте, что позволяет обеспечить качественное разделение сигналов разных частот без использования избирательных резонансных усилителей, уменьшение полосы пропускания которых ограничено нестабильностью частотозадающих элементов, характеристики которых даже при тщательном их подборе в значительной мере подвержены влиянию изменений температуры окружающей среды.
В пятой главе рассматривается метрологическое обеспечение разработанного вихретокового толщиномера.
Для корректной работы толщиномера в соответствии с заявленными характеристиками технической документации необходимо выполнить подготовку прибора.
На этапе изготовления выполняется первичная настройка, в соответствии с которой в вычислительный блок записываются данные амплитуды и фазы, определяются коэффициенты функций обратного преобразования, соответствующие значениям толщин контрольных образцов при фиксированных значениях зазора между поверхностью трубы и ВТП. Настройка выполняется в условиях лаборатории.
Перед началом работы с прибором выполняется рабочая настройка, в рамках которой производится балансировка ВТП при отсутствии объекта контроля и запись значения амплитуды первой частоты при нулевом зазоре между ВТП и поверхностью объекта контроля, которое используется в функции вычисления зазора; проверяется отклонение показаний прибора от действительного значения и производится автоматическая корректировка.
Для проверки соответствия между действительным и измеренным значением выполняется калибровка толщиномера на контрольном образце.
1. Разработана модель с использованием МКЭ для исследования различных вариантов взаимодействия ВТП и объекта контроля, позволяющая определить влияние исследуемых параметров на результат измерений, определить и оптимизировать функции преобразования.
2. Проанализировано влияние на сигнал ВТП основных влияющих факторов: толщины стенки трубы, зазора между преобразователем и поверхностью трубы, электропроводности материала, кривизны стенки трубы, наличия участков с плавным изменением толщины клиновидного характера и с локальным утонением сферической формы, перекоса оси преобразователя относительно поверхности трубы, поперечного смещения оси преобразователя.
3. Предложен и реализован алгоритм преобразования сигнала в условиях изменения влияющих факторов, таких как изменение электропроводности объекта контроля, зазора между ВТП и поверхностью контролируемой трубы в широком диапазоне.
4. Доказана эффективность использования в многочастотных вихретоковых толщиномерах метода разделения частот сигнала ВТП, основанного на возбуждении в объекте контроля вихревых токов синхронизированных частот и разделении частотных составляющих с использованием импульсных фильтров нижних частот с конечными импульсными характеристиками.
5. Разработан вихретоковый толщиномер, позволяющий измерять толщину стенки ЛБТ в диапазоне 5... 15 мм с погрешностью ±5% при изменении зазора 0.. .15 мм и отстройкой от изменения электропроводности объекта контроля.
6. Предложена методика проведения настройки прибора для обеспечения корректных результатов измерений в пределах заявленной погрешности, включающая первичную настройку для обеспечения необходимой функции преобразования и рабочую настройку.
7. Проведены испытания вихретокового толщиномера в лабораторных и полевых условиях. На основе выполненных исследований и результатов организацией-партнером ООО «НПК Интроскопия» (г. Томск) разработан мобильный сканирующий комплекс контроля толщины стенки ЛБТ в условиях буровой площадки, который в настоящее время проходит опытную эксплуатацию.
2. Проанализировано влияние на сигнал ВТП основных влияющих факторов: толщины стенки трубы, зазора между преобразователем и поверхностью трубы, электропроводности материала, кривизны стенки трубы, наличия участков с плавным изменением толщины клиновидного характера и с локальным утонением сферической формы, перекоса оси преобразователя относительно поверхности трубы, поперечного смещения оси преобразователя.
3. Предложен и реализован алгоритм преобразования сигнала в условиях изменения влияющих факторов, таких как изменение электропроводности объекта контроля, зазора между ВТП и поверхностью контролируемой трубы в широком диапазоне.
4. Доказана эффективность использования в многочастотных вихретоковых толщиномерах метода разделения частот сигнала ВТП, основанного на возбуждении в объекте контроля вихревых токов синхронизированных частот и разделении частотных составляющих с использованием импульсных фильтров нижних частот с конечными импульсными характеристиками.
5. Разработан вихретоковый толщиномер, позволяющий измерять толщину стенки ЛБТ в диапазоне 5... 15 мм с погрешностью ±5% при изменении зазора 0.. .15 мм и отстройкой от изменения электропроводности объекта контроля.
6. Предложена методика проведения настройки прибора для обеспечения корректных результатов измерений в пределах заявленной погрешности, включающая первичную настройку для обеспечения необходимой функции преобразования и рабочую настройку.
7. Проведены испытания вихретокового толщиномера в лабораторных и полевых условиях. На основе выполненных исследований и результатов организацией-партнером ООО «НПК Интроскопия» (г. Томск) разработан мобильный сканирующий комплекс контроля толщины стенки ЛБТ в условиях буровой площадки, который в настоящее время проходит опытную эксплуатацию.
Подобные работы
- Исследование методов измерения толщины стенки легкославных бурильных труб
Главы к дипломным работам, контроль и ревизия. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016