Устройство для электромагнитного контроля механической прочности муфтовых соединений труб в скважинах

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Технический результат: возможность оценки механической прочности муфтовых соединений труб в скважинах, недоступных для непосредственного контроля. Сущность: устройство содержит генератор с изменяемой частотой переменного тока, к выводам которого подключена дифференциальная схема с первым и вторым последовательными колебательными контурами. Каждый из контуров содержит последовательно соединенные амперметр, конденсатор с переменной величиной емкости и индуктивный преобразователь. Параллельно конденсатору первого колебательного контура подключен ключ. К каждому входу индуктивных преобразователей подключен полупроводниковый детектор сигналов и электрический RC-фильтр, состоящий из параллельно соединенных конденсатора и резистора с потенциометрическим выводом. Между потенциометрическими выводами резисторов подключен вольтметр. Первый колебательный контур имеет соотношение реактивных сопротивлений конденсатора и индуктивного преобразователя X_C=2X_L Второй колебательный контур имеет соотношение реактивных сопротивлений X_L=X_C. Геометрические размеры индуктивного преобразователя и конструктивный материал обеспечивают его центрирование и свободное скольжение в муфтовом соединении труб. 4 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля магнитной проницаемости и электропроводности изделий из ферромагнитных материалов, например, муфтовые соединения труб в скважинах, недоступные для непосредственного контроля.

Известно устройство для контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов (А.с. Устройство для контроля физико-механических параметров ферромагнитных материалоя, SU G01N 27/90, 1193568, 23.11.85, бюл. №43).

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для контроля физико-механических параметров ферромагнитных материалов.

Устройство содержит генератор 1 с изменяемой частотой, соединенные последовательно параметрический индуктивный преобразователь 2, ключ 3 и эталонный резистор 4, подключенные к выходу генератора 1 с изменяемой частотой, соединенные последовательно амплитудный детектор 5, подключенный к эталонному резистору 4, и индикатор 6. Устройство содержит также компенсирующий конденсатор 7, подключенный параллельно индуктивному преобразователю 2 и ключу 3, и блок 8 измерений частоты, подключенный к генератору 1 с изменяемой частотой.

Для цепи из параллельно соединенных индуктивного преобразователя и конденсатора, подключенной к источнику переменного напряжения, удаление из цепи индуктивного преобразователя не изменяет амплитуды тока в неразветвленной части цепи, когда X_C=2X_L. Это видно из уравнения тока такой цепи ,

где - эквивалентная проводимость разветвления цепи;

- реактивная проводимость компенсирующего конденсатора;

g, b_L - соответственно активная и реактивная проводимости индуктивного преобразователя. Из равенства получают Х_С=2X_L.

Измерения для контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов выполняют следующим образом. В переменное магнитное поле индуктивного преобразователя помещают контролируемое изделие (не показано). Изменением частоты питающего генератора 1 при неизменном на его выходе напряжении и постоянной величине емкости компенсирующего конденсатора 7 добиваются такого состояния, когда при работающем ключе 3 прекратятся колебания стрелки индикатора 6. В этот момент прекращают изменять частоту генератора 1 и при помощи блока 8 измерения частоты измеряют рабочую частоту генератора 1. Компенсация удвоенной величины реактивной составляющей полного сопротивления индуктивного преобразователя позволяет повысить надежность и стабильность измерений за счет того, что рабочая частота генератора , определяемая из условия Х_С=2X_L, не зависит от активного сопротивления индуктивного преобразователя, поэтому влияние внешних условий, таких, как изменение температуры, сказывается в меньшей степени. Это является существенным достоинством.

Недостатком этого устройства для контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов является недостаточная чувствительность к их незначительным изменениям.

Известно также устройство для контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов с повышенной чувствительностью к их изменению (А.С. №1420513, G01N 27/90, 30.08.1988, бюл. №32, Устройство для контроля физико-механических параметров ферромагнитных изделий).

На фиг.2 представлена структурная схема этого устройства. Оно содержит генератор 1, неуравновешенный емкостный мост, образованный регулируемыми конденсаторами 2-4 и конденсатором 5 (регуляторы конденсаторов 2 и 4 кинематически связаны), последовательно соединенные параметрический преобразователь 6 и ключ 7, подключенные параллельно конденсатору 2 и образующие с ним параллельный контур, первый индикатор 8 напряжения, включенный в измерительную диагональ моста, и второй индикатор 9 напряжения, включенный параллельно конденсатору 5. Генератор 1 включен во входную диагональ моста.

Измерения для контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов этим устройством выполняют следующим образом. При включении устройства на выходе генератора 1 появляется напряжение, поступающее на входную диагональ неуравновешенного емкостного моста, в измерительное плечо которого включен параметрический преобразователь 6. Амплитуду тока в цепи, содержащей конденсаторы 2 и 5, измеряют с помощью индикатора 9 напряжения. При периодическом замыкании ключа 7 показания индикатора 9 изменяются с частотой переключения. Емкость конденсатора 2 в измерительном плече моста изменяется до тех пор, пока колебания стрелки индикатора 9 не достигнут минимального значения. В этот момент прекращаются изменения емкости конденсатора 2 и работа ключа 7. С помощью конденсатора 3 с переменной емкостью в образцовом плече и индикатора 8 балансируют емкостный мост. Затем устанавливают преобразователь 6 на контролируемое изделие (на чертеже не показано), вновь включают ключ 7 и с помощью конденсатора 2 добиваются минимальных колебаний стрелки индикатора 9. а работу ключа 7 прекращают. С помощью индикатора 8 измеряется величина разбаланса неуравновешенного емкостного моста, связанная с изменением реактивной составляющей преобразователя 6. Индикатор 9 показывает величину падения напряжения на конденсаторе 5, пропорциональную току в цепи конденсаторов 2 и 5. В момент выполнения условия равенства реактивного сопротивления Х_С конденсатора 2 удвоенной величине реактивного сопротивления X_L преобразователя 6, т.е. Х_С=2X_L, которое осуществляется при работающем ключе 7, колебания стрелки индикатора 9 отсутствуют. Наличие связи между конденсатором 2 с переменной емкостью, соединенным параллельно с параметрическим преобразователем 6 и ключом 7 и включенным в измерительное плечо, и конденсатором 4 с переменной емкостью, включенным во вспомогательное плечо емкостного моста, приводит к тому, что разбаланс моста, обусловленный условием Х_С=2X_L измерительного плеча, может быть приведен к удвоенному его значению. Конденсатор 2 с переменной емкостью, включенный в измерительное плечо, выполняет функцию удвоенной величины реактивного сопротивления параметрического преобразователя

Описанное устройство имеет существенный недостаток. Его невозможно применить в тех случаях контроля физико-механических параметров изделий, когда необходимо сравнение с исправными изделиями, а неисправные изделия недоступны для непосредственной оценки их состояния.

Наиболее близким по своей сути является устройство для электромагнитного контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных электропроводящих материалов, принятое за прототип, с помощью которого осуществляется сравнение полных сопротивлений индуктивных преобразователей, включенных в дифференциальную схему с двумя последовательными резонансными контурами (Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник. Под ред. Г.С.Самойловича. М., Машиностроение, 1986, рис.78, стр.269). Резонансные контуры настроены на резонанс напряжения, который возникает при равенстве реактивных сопротивлений индуктивной катушки Х_L и конденсатора Х_С, т.е. X_L=Х_С. Использование последовательной резонансной электрической цепи при измерениях электропроводности, толщины листов стенки труб позволяет уменьшить влияние изменения зазора между индуктивной катушкой и изделием в пределах до 0,2 мм. Однако влияние температуры на результаты измерений исключить нельзя. Это является недостатком способа - прототипа.

Задача предлагаемого изобретения - расширение возможностей применения устройства для электромагнитного контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов для оценки механической прочности муфтовых соединений труб в скважинах (фиг.3. Схема участка муфтового соединения труб в скважинах). На схеме обозначено: 1 - обсадная труба скважины, 2 - труба, например, насоса скважины, 3 - муфта резьбового соединения труб, 4 - индуктивный преобразователь.)

Технический результат достигается тем, что электрическая схема, показанная на фиг.4, с помощью которой реализуется устройство, содержит генератор с изменяемой частотой переменного тока 1, к выводам которого подключена дифференциальная схема с двумя последовательными колебательными контурами. Первый колебательный контур содержит последовательно соединенные амперметр 2, конденсатор с переменной величиной емкости 3, который может отключаться и включаться с помощью ключа 5, и индуктивный преобразователь 4. Второй колебательный контур содержит последовательно соединенные амперметр 6, конденсатор с переменной величиной емкости 7 и индуктивный преобразователь 8. Вывод генератора 1, к которому подключены выходы индуктивных преобразователей 4 и 8, образует электрическую шину (общий проводник, к которому подключаются другие электрические элементы). Разностный сигнал переменного тока от входов индуктивных преобразователей 4 и 8 преобразуется в сигнал постоянного тока с помощью двух полупроводниковых детекторов диодов 9 и 12 и двух электрических RC-фильтров, состоящих из конденсаторов 10 и 12 и резисторов 11 и 14, имеющих потенциометрические выводы. К потенциометрическим выводам резисторов 11 и 14 подключен вольтметр 15.

Первый последовательный резонансный контур настраивается на резонансное явление, возникающее при условии равенства величины реактивного сопротивления конденсатора 3 удвоенной величине реактивного сопротивления индуктивного преобразователя 4. Это достигается следующим образом. Для цепи из последовательно соединенных конденсатора и индуктивного преобразователя, подключенной к источнику переменного напряжения, короткое замыкание пластин конденсатора не приводит к изменению амплитуды тока в индуктивном преобразователе, когда величина удвоенного реактивного сопротивления индуктивного преобразователя X_L равна величине реактивного сопротивления конденсатора Х_С. Это видно из уравнения тока в преобразователе при включенном в цепь и выключенном из цепи конденсаторе при условии X_C=2X_L.

где R_д - активное сопротивление преобразователя (датчика).

При невыполнении условия Х_С=2X_L уменьшается величина тока индуктивного преобразователя.

Второй последовательный резонансный контур настраивается на явление резонанса напряжений. Оно возникает при условии равенства величины реактивного сопротивления конденсатора 7 величине реактивного сопротивления индуктивного преобразователя 8, т.е. Х_С=X_L.

Частота переменного тока генератора при электромагнитном контроле и оценке механической прочности резьбового соединения труб в скважинах с помощью муфт, фиг.3, устанавливается такой, при которой глубина распределения вихревых токов, возникающих в электропроводящем материале, была бы равна не более суммы толщины стенки трубы и половины толщины стенки муфты. Расчет распределения вихревых токов по глубине h электропроводящего материала производится по формуле (Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник. Под ред. Г.С.Самойловича. М., Машиностроение, 1986, стр.208).

h=1/√πfσµ,

где π - число 3,14; f - частота переменного тока,

σ - электрическая проводимость; µ - магнитная проницаемость.

При размещении индуктивных преобразователей в зоне контроля механической прочности муфтовых соединений труб в скважинах и наружного образца муфтового соединения необходимо обеспечить центровку индуктивного преобразователя. Это достигается тем, что индуктивный преобразователь (катушка) размещается на каркасе, выполненном из пластмассы с малым коэффициентом трения скольжения (например, фторопласт), ширина намотки катушки меньше длины резьбовой части муфты, каркас выполняется длиной не менее чем в три раза больше длины муфты и должен перемещаться в муфтовых соединениях трубы со свободным сложением.

Измерение предлагаемым устройством осуществляется следующим образом. В электромагнитное поле первого и второго индуктивных преобразователей размещают в доступном для контроля образце с заведомо исправным резьбовым соединением трубы скважины с помощью муфты (фиг.3). Изменяют величину емкости конденсатора 3 первого резонансного контура и при работающем ключе 5 добиваются отсутствия колебания стрелки амперметра 2. Так создают условие равенства X_C=2X_L, при котором работает первый резонансный контур. Ключ 5 оставляют в разомкнутом состоянии (фиг.4).

Изменяют величину емкости конденсатора 7 второго резонансного контура и добиваются максимального показания амперметра 6. Это одно из условий возникновения резонанса напряжений, когда X_L=Х_С (фиг.4).

Изменяют положения потенциометрических выводов резисторов 11 и 14, добиваются отсутствия показания вольтметра 15 (фиг.4).

Индуктивный преобразователь первого резонансного контура помещают поочередно в муфтовые соединения по всей длине трубы в скважине (фиг.3) и по отклонению от нулевого значения показания вольтметра 15 (фиг.4) судят о механической прочности конкретного муфтового соединения трубы в скважине. Резьбовое соединение трубы с помощью муфты может быть нарушено коррозионным процессом, либо когда в начале эксплуатации резьбовое соединение выполнено некачественно.

Измерения предлагаемым устройством позволят предупредить при выемке трубы, например скважинного насоса, аварию, которая значительно усложнит ремонт скважины.

Устройство для электромагнитного контроля механической прочности муфтовых соединений труб в скважинах, содержащее генератор с изменяемой частотой переменного тока, к выводам которого подключена дифференциальная схема с двумя, первым и вторым, последовательными колебательными контурами, каждый из которых содержит последовательно соединенные амперметр, конденсатор с переменной величиной емкости и индуктивный преобразователь, параллельно конденсатору первого колебательного контура подключен ключ, к каждому входу индуктивных преобразователей подключен полупроводниковый детектор сигналов и электрический RC-фильтр, состоящий из параллельно соединенных конденсатора и резистора с потенциометрическим выводом, между потенциометрическими выводами резисторов подключен вольтметр, вывод генератора, к которому подключены выходы индуктивных преобразователей и RC-фильтров, образует электрическую шину, отличающееся тем, что первый колебательный контур имеет соотношение реактивных сопротивлений конденсатора и индуктивного преобразователя, равное X_C=2X_L, второй колебательный контур имеет соотношение реактивных сопротивлений конденсатора и индуктивного преобразователя, равное X_L=X_C, a геометрические размеры индуктивного преобразователя и конструктивный материал обеспечивают его центрирование и свободное скольжение в муфтовом соединении труб.