طريقة وجهاز للكشف عن عيوب الطي في الأنابيب الفولاذية غير الملحومة

1. مبدأ الكشف عن عيوب الطي في الأنابيب الفولاذية غير الملحومة
عندما يمر أنبوب فولاذي على خط الكشف عبر منطقة قياس سمك الجدار بدقة على طول محوره بسرعة عالية، يقوم موصل الماء الدوار حول الأنبوب بتوليد عمود رذاذ مائي بضغط ثابت لرشه على الأنبوب الفولاذي. وتنتقل الإشارة فوق الصوتية العمودية على محور الأنبوب، والصادرة من مسبار فوق صوتي دوار، إلى الأنبوب عبر عمود الرذاذ المائي. وتنتقل موجة السطح وموجة القاع المتكونتان عند مرور الإشارة فوق الصوتية عبر السطحين الداخلي والخارجي للأنبوب إلى المسبار عبر عمود الماء. يقوم المسبار بتحويل موجة السطح وموجة القاع إلى إشارة كهربائية، وبعد المعالجة والتحليل والحساب، يتشكل منحنى رقمي يعكس سمك جدار الأنبوب الفولاذي. عندما تصادف الإشارة فوق الصوتية طيات أو عيوبًا أخرى في جدار الأنبوب، تتشكل إشارة عيب تمثل الطيات أو العيوب الأخرى بين موجة السطح وموجة القاع، ويتغير عرض نبضة سمكها بشكل ملحوظ. ويظهر حجم ونطاق عيب الطي على المنحنى.

2. تقنية قياس سمك الطبقة باستخدام الموجات فوق الصوتية المقترنة برذاذ الماء عالي الطاقة متعدد المجسات
تُعدّ تقنية وجهاز الكشف المذكوران أعلاه مناسبين فقط للكشف عالي السرعة عن الأنابيب ذات الأسطح الملساء. مع ذلك، فإن حالة سطح الأنابيب الفولاذية المراد فحصها عادةً ما تكون سيئة. فالعديد منها مُعاد تدويره، ومصدأ، وبه تنقير على سطحه. كما أن بعضها مُلوّث بالزيت وغيره، مما يُؤدي إلى ضعف إشارة الموجات فوق الصوتية على سطح الأنبوب. وتكون موجة السطح والموجة السفلية ضعيفة للغاية، ويصعب تكوين نبضة سُمك ثابتة. بل إن بعض الأنابيب الفولاذية مُجهزة بوصلات، مما يجعلها تتحرك بشكل غير منتظم على خط الفحص، وبالتالي تبقى فعالية الفحص ضعيفة للغاية.
يعتمد جهاز قياس سمك الطبقات بالموجات فوق الصوتية المقترن برذاذ الماء عالي الطاقة متعدد المجسات بشكل أساسي على التقنيات التالية لحل هذه المشكلات:
(1) اعتماد "رقاقة تيتانات الباريوم" ذات مقاومة ضغط تبلغ 1500 فولت من الذروة إلى الذروة ومسبار الموجات فوق الصوتية بنقطة تركيز 10 ميجاهرتز لتحسين طاقة إشارات الموجات فوق الصوتية؛
(2) اعتماد دائرة إثارة عالية الطاقة ذات خصائص وظيفة التأثير لتحفيز المسبار لتوليد الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة؛
(3) تقنية قياس سمك الموجات فوق الصوتية متعددة القنوات ودائرة التوسيع الخطي لنبضات السمك لتحسين سرعة ودقة الكشف؛
(4) تقنية نقل الإشارات متعددة القنوات "تقسيم الوقت المتعدد، أخذ العينات عالي السرعة" لنقل إشارات السماكة متعددة القنوات بشكل موثوق؛
(5) يقوم برنامج الكمبيوتر بإزالة تأثير عدم استقرار الإشارة فوق الصوتية على نتائج الكشف، ويعرض نتائج الكشف بالأرقام والمنحنيات، ويحدد موقع العيب؛
(6) جهاز اقتران الماء ذو ​​الضغط الثابت ودرجة الحرارة الثابتة لتحسين موثوقية اقتران عمود الماء بالرش مع الإشارات فوق الصوتية؛
(7) آلية تحديد المواقع والقيادة الدقيقة لضمان مرور أنبوب الصلب عبر المسبار بدقة على طول محوره في منطقة الكشف، والتغلب على مشكلة التشغيل غير المنتظم الناجمة عن وصلة أنبوب الصلب بحيث يحافظ كل مسبار على مسافة اقتران رأسية وثابتة مع الجدار الخارجي لأنبوب الصلب.

3. النتائج التجريبية
يمكن زيادة حساسية مسبار رقاقة "تيتانات الباريوم" بمقدار 10 ديسيبل؛ الرقاقة مزودة بعدسة تركيز صوتية مقعرة لتشكيل مسبار تركيز نقطي بطول بؤري 15 مم ومسافة اقتران عمود الماء 12 مم، بحيث يقع تركيز كل مسبار على نقطة المنتصف لجدار الأنبوب الفولاذي، مما يقلل بشكل فعال من تأثير تشتت التآكل السطحي لأنبوب إنتاج النفط ويمنع اقتران الأنبوب الفولاذي (سمك 6-8 مم) من إتلاف المسبار؛ يتكون "الصمام الثلاثي الانهياري" من دائرة إثارة عالية الطاقة مدتها 6 نانوثانية ذات خاصية وظيفة التأثير وسعة Vp2p=1000، والتي تثير مسبار الموجات فوق الصوتية لتوليد إشارة فوق صوتية عالية الطاقة، بحيث تصل نسبة الإشارة إلى الضوضاء للموجة السطحية والموجة السفلية إلى أكثر من 20 ديسيبل؛ عندما يدور المجس بسرعة 240 دورة في الدقيقة، يكون نبض سُمك جدار الأنبوب الفولاذي مستقرًا، ويمكن عرض بيانات عدم انتظام المحيط بدقة تصل إلى 0.05 مم. وعندما يمر الأنبوب الفولاذي عبر منطقة الكشف بسرعة 15 مم في الثانية، يقوم كل مجس بمسح حلزوني، بمسافة 15.625 مم بين كل نقطة، وتكشف المجسات الأربعة 2400 نقطة في الثانية. تبلغ المسافة بين النقاط 0.16 مم، ودقة قياس تغير سُمك الجدار لا تقل عن ± 0.1 مم.

4. يتكون جهاز قياس سمك الأنابيب بالموجات فوق الصوتية ذو المجس الدوار من وصلة مائية وأربعة مجسات فوق صوتية موزعة بزاوية 90 درجة بينها، وعمودية تمامًا على محور الأنبوب الفولاذي. يضمن خزان الماء المعلق ذو التحكم التلقائي في مستوى السائل، والذي يبلغ ارتفاعه 6 أمتار، وماء التوصيل ذو درجة الحرارة الثابتة 40 درجة مئوية، ضغطًا ثابتًا وتوصيلًا موثوقًا لأعمدة الماء المرشوشة على المجسات الأربعة في كل موضع، مما يلغي تأثير الفقاعات. يعمل عمود الماء العمودي على محور أنبوب إنتاج النفط على توصيل الإشارة فوق الصوتية بين المجس وجسم الأنبوب بكفاءة عالية.

تقوم دائرة تمديد نبضات السُمك الخطي، المُكوّنة من مصادر تيار ثابت، بتمديد كل نبضة سُمك 2Λ بمقدار 20 ضعفًا لتصل إلى 40Λ، مما يُحسّن دقة كشف السُمك ويُقلّل خطأ أخذ العينات. أما دائرة "تقسيم الوقت المتعدد، أخذ العينات عالي السرعة"، فتأخذ عينات من 4 نبضات عرض بتردد أخذ عينات 2.5 ميجاهرتز، ثم تدمجها في قناة واحدة، تُنقل عبر حلقة الانزلاق، ثم تُفصل بشكل متزامن إلى إشارات متعددة بواسطة المُضاعف. نسبة تشويه الإشارة ≤ 1%.

يؤثر تداخل الصور الزائفة على نتائج الكشف. فالموجة السفلية لأنبوب الصلب ضعيفة، مما يُسهّل تكوّن نبضات صور زائفة غير مستقرة وسميكة للغاية؛ كما قد يُؤدي رنين الموجة السطحية إلى تكوّن نبضات صور زائفة رقيقة للغاية؛ وعادةً ما تُشكّل عيوب الطي عشرات النبضات المتواصلة لعمق الطي. يستطيع برنامج تحليل الحاسوب التمييز بين سُمك الجدار والطي وتداخل الصور الزائفة، وعرض بيانات ومنحنيات مستقرة.

4. نتائج الاختبار
في خط الكشف عن عيوب الأنابيب الفولاذية، تم فحص الأنابيب باستخدام جهاز الكشف عن عيوب التسرب المغناطيسي، ثم باستخدام جهاز الكشف عالي السرعة عن سمك جدار الأنابيب الفولاذية ذي الأربع قنوات المزود بمسبار دوار يعمل برش الماء، وتم استبعاد الأنابيب التي بها عيوب طي. وفي اختبار ضغط الماء اللاحق، لم تنفجر الأنابيب التي بها عيوب طي.