Двухрежимные конденсаторы PEC и EMAT для обнаружения дефектов в трубах

Двухрежимные конденсаторы PEC и EMAT для обнаружения дефектов в трубах

Резюме

В трубопроводе присутствуют два типа дефектов. Истончение стенок вследствие коррозии реагирует на низкочастотные импульсные вихревые токи, а усталостные трещины — на высокочастотные ультразвуковые волны от электромагнитного вихретокового преобразователя (ЭВТ). Два прибора за два прохода удваивают объем работы на месте. Двухрежимная батарея переключается между конденсаторами 100 мкФ при 100 В и 100 нФ при 1000 В без смены зонда. В этой статье рассматриваются физические принципы импульсного воздействия, проблемы переключения и параметры конденсаторов, позволяющие поддерживать оба режима работы в одном устройстве.

1. Введение

В магистральном трубопроводе присутствуют два важных дефекта. Коррозия истончает стенки изнутри, а циклическое давление приводит к образованию усталостных трещин в сварных швах и изгибах. Один метод редко позволяет устранить оба типа дефектов.

Импульсный вихревой ток воздействует на катушку низкочастотным импульсом. Поле рассеивается по стенке, и позднее затухание отклика отражает толщину стенки. Этот метод хорошо регистрирует коррозию и не обнаруживает узких трещин.

Электромагнитный акустический преобразователь посылает волну через стену без контактной среды и без предварительной подготовки поверхности. Поверхностная волна позволяет обнаруживать трещины толщиной 1 мм и менее. Сигнал слабый, поскольку эффективность преобразования составляет около 1 %.

Европейские исследовательские группы используют оба метода на одном зонде. За один проход получаются карта коррозии и карта трещин на одной и той же позиционной рамке. В этой статье рассматриваются требования к импульсам, проблемы переключения и значения емкости конденсаторов, подходящие для обоих режимов.

2. Основной механизм

2.1 Филиал PEC

Импульс PEC передает энергию в диапазоне от 1 Гц до 10 кГц. Низкочастотная составляющая определяет глубину проникновения вихревых токов, и эта глубина зависит от глубины проникновения.

δ = √(2 / (ω · µ · σ))

где δ — глубина проникновения сигнала в мм, ω — угловая частота в рад/с, µ — магнитная проницаемость в Гн/м, а σ — проводимость в С/м. На углеродистой стали при частоте 10 Гц и насыщенной стенке δ проходит 40 мм, поэтому стена толщиной 25 мм возвращает сигнал с внутренней поверхности.

Длительность импульса соответствует петле разряда.

τ = R · C

где τ — постоянная времени разряда в мкс, R — сопротивление контура в Ом, а C — емкость батареи в мкФ. Батарея емкостью 1 мкФ при сопротивлении 1.5 Ом обеспечивает время разряда 1.5 мкс, что достаточно коротко для толстой стенки. Для ответвления PEC требуется от 1 мкФ до 100 мкФ для стенки толщиной от 6 до 30 мм.

2.2 Филиал EMAT

Импульс EMAT имеет частоту от 100 кГц до 10 МГц и длительность менее 1 мкс. Ток в катушке создает силу Лоренца, действующую на вихревые токи в поверхности стенки, поэтому импульс должен приходить быстро и чисто.

f_r = 1 / (2π · √(L · C))

где f_r — собственная резонансная частота в МГц, L — индуктивность петли в нГн, а C — емкость в нФ. Деталь емкостью 10 нФ с индуктивностью петли 20 нГн резонирует на частоте 11 МГц, что выводит резонанс выше рабочей полосы на частоте 1 МГц.

Z = √(L / C)

где Z — характеристическое сопротивление в Ом, L — индуктивность контура в нГн, а C — емкость в нФ. Для 10 нФ и 20 нГн Z равно 1.4 Ом, поэтому заряд напряжением 1000 В приводит к пиковому току около 700 А в катушке.

2.3 Один банк на два десятилетия работы

Два режима работы тянут аккумуляторную батарею в противоположных направлениях. Для режима PEC требуется большая емкость при низком напряжении: от 1 мкФ до 100 мкФ при напряжении от 10 В до 100 В. Для режима EMAT требуется малая емкость при высоком напряжении: от 10 нФ до 100 нФ при напряжении от 300 В до 1000 В.

E = ½ · C · V²

где E — запасённая энергия в Дж, C — ёмкость в мкФ, а V — напряжение заряда в кВ. Батарея ёмкостью 100 мкФ при напряжении 100 В запасает 0.5 Дж. Батарея ёмкостью 100 нФ при напряжении 1000 В запасает 0.1 Дж. Обе батареи помещаются в один модуль, если батарея построена из переключаемых секций.

Энергия импульса мала, а напряжение и емкость сильно различаются. пленочный конденсатор Эта батарея охватывает диапазон PEC при 100 мкФ, но она не может удерживать край EMAT, поскольку ее ESL составляет 100 нГн и выше.

2.4 Остаточный заряд и переключение режимов

Переключение режима оставляет заряд в банке. Этот заряд добавляется к следующему импульсу и сдвигает амплитуду на несколько процентов. Это одновременно искажает данные PEC на поздних этапах и амплитуду эхо-сигнала EMAT.

V_res = V_0 · e^(−t / (R_d · C))

где V_res — остаточное напряжение в В, V_0 — напряжение заряда в В, t — время сброса в мкс, R_d — сопротивление сброса в Ом, а C — емкость блока в мкФ. Блок емкостью 100 мкФ, разряжаемый через 1 Ом, падает до 1 % от V_0 за 460 мкс. Это время сброса определяет кратчайший интервал переключения режимов. Защитите выпрямитель заряда с помощью быстровосстанавливающийся диодпотому что обратный ток катушки добавляет напряжение к напряжению блока после каждого импульса.

Рис. 1 — Переключаемый блок удерживает 100 мкФ при 100 В и 50 нФ при 1 кВ, а разрядка в течение 500 мкс удаляет остаточный заряд перед активацией другого режима.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Два инструмента удваивают объем полевой работы.

Отдельный комплект PEC и отдельный комплект EMAT означают две мобилизации, два калибровочных запуска и два набора данных для выравнивания вдоль трубы. Бригады на местах теряют половину смены только на настройку. Двухрежимный блок, вмещающий оба диапазона емкости в одном корпусе, исключает второй проход.

Проблема 2: Две конструкции датчиков конкурируют за пространство.

Катушка PEC представляет собой намотанный плоский электрод диаметром от 10 до 50 мм. Для работы EMAT необходимы постоянный магнит, катушка и стойка толщиной от 0.5 до 2 мм. Оба элемента должны размещаться в одной головке, которая перемещается по трубе длиной 300 мм, поэтому компоненты возбуждения должны быть уменьшены в размерах. Для этой головки подходит блок элементов размером 60 мм на 40 мм.

Проблемный момент 3: Остаточный заряд связывает два режима.

Когда ветвь PEC остается заряженной, а импульс EMAT срабатывает на ту же землю, остаточное напряжение проявляется в виде низкочастотного пьедестала на ультразвуковой трассе. Пьедестал в 2 % маскирует эхо-сигнал от трещины в 5 %. Перед включением следующего режима необходимо, чтобы цепь сброса разряда очистилась.

Проблема 4: Для двух потоков данных необходима одна временная база.

Fusion сравнивает карту коррозии с картой трещин в той же точке вдоль трубы. При скорости сканирования 0.5 м/с ошибка синхронизации в 100 мкс смещает одну карту на 0.05 мм, что незначительно. Ошибка амплитуды, возникающая из-за позднего или раннего импульса, является большей величиной и связана с синхронизацией возбуждения.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Постройте банк из переключаемых секций.

Разделите батарейный блок на несколько секций: 100 нФ, 1 мкФ, 10 мкФ и 100 мкФ, каждая со своим выключателем и предохранителем. В схеме PEC большие секции подключаются параллельно при напряжении от 10 В до 100 В. В схеме EMAT малые секции подключаются при напряжении от 300 В до 1000 В. Диэлектрик класса I Например, модель N4700 сохраняет свою ценность в обоих ценовых сегментах, поэтому одна линейка охватывает два десятилетия.

Стратегия 2: Поддерживайте низкий уровень индуктивности петли в ветви EMAT.

Время нарастания EMAT определяется индуктивностью и сопротивлением контура. Поддерживайте общую индуктивность ниже 20 нГн и располагайте катушку непосредственно у конденсатора, а не за кабелем длиной 1 м. Кабель длиной 1 м добавляет от 50 нГн до 100 нГн и увеличивает время нарастания до более чем 300 нс.

Стратегия 3: Сбрасывайте остаточный заряд перед каждым переключением режима.

Установите HVR-BSP толстопленочный резистор и нормально замкнутый контакт между каждой секцией. Размеры разрядного напряжения должны быть такими, чтобы напряжение батареи опускалось ниже 1 % от напряжения заряда в течение 500 мкс. Проверьте остаточное напряжение на стенде с помощью высоковольтного щупа при самом низком и самом высоком напряжении заряда в режиме работы.

Стратегия 4: Управляйте обоими режимами с помощью одного триггера.

Используйте один генератор синхронизации для запуска PEC и один для запуска EMAT, с дрожанием менее 10 нс. Тогда координаты двух карт совпадут без программной коррекции. Проводите управление затвором парой, сохраняя обратный путь под сигнальной трассой.

Стратегия 5: Сопоставьте разделы и запишите данные пульса.

Проверяйте участки на емкость с точностью до ±1 % и сохраняйте измеренное ЭПР каждого участка в программном обеспечении зонда. Затем модель разряда использует значения действительной части вместо номинальных, и прогнозирование амплитуды остается справедливым для всех устройств в рамках всей партии.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для двухрежимного пробника

Для двухрежимной головки необходимы компоненты одной группы, способные выдерживать емкость от 10 нФ до 100 мкФ, разряд в сотни ампер и сохранять свои характеристики от холодного запуска до нагрева корпуса зонда. Компания HVC производит эти компоненты на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывая диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диапазон емкостей составляет от 10 нФ до 100 мкФ. Одна группа компонентов охватывает секции PEC и секции EMAT, поэтому зонд имеет один утвержденный перечень компонентов.
• Низкая последовательная индуктивность. Дверная ручка HVCT8G В организме поддерживается достаточно низкий уровень ESL для обеспечения времени нарастания в ветви EMAT в 50 нс.
• Коэффициент рассеяния ниже 0.1 %. Потери на импульс остаются ниже 1 Дж при токе 100 А, поэтому блок питания не нуждается в принудительном охлаждении в портативной головке.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Диэлектрик не деградирует в течение 10⁶ импульсов, поэтому кривая затухания фотоэлектрохимического эффекта остается сопоставимой между кампаниями.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C. Емкость изменяется менее чем на 0.3 % в диапазоне от −20 °C до +80 °C, поэтому глубина проникновения не меняется в зависимости от погодных условий.
• Координированные детали. резистор выборки HVRGXP считывает банковский текущий счет, HVR-BSP Корректирующие резисторы подают питание на электронику зонда, а быстровосстанавливающийся диод защищает зарядный каскад от обратного тока катушки.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4-8 недель, а подобранные двухрежимные комплекты — в течение 6-10 недель, тогда как для ведущих брендов этот срок обычно составляет 20-30 недель. Каждый комплект поставляется с данными о емкости и эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR), а также с отчетом о частичном разряде при 5 пКл.

Передайте диапазон толщины стенки, диаметр трубы, последовательность режимов и скорость сканирования. HVC вернет план сечения с номерами деталей, данными ESR на рабочей частоте и т. д. Перекрестная ссылка против компонентов Murata DHS и Vishay HVCC, а также образцы для первого полевого испытания.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Может ли один конденсаторный блок обеспечить работу PEC и EMAT?

Да, с переключаемыми секциями. Для PEC требуется от 1 мкФ до 100 мкФ при напряжении от 10 В до 100 В, а для EMAT — от 10 нФ до 100 нФ при напряжении от 300 В до 1000 В. Если собрать батарейный блок в виде десятиразрядных конденсаторов с собственными переключателями и предохранителями, то один и тот же корпус будет использоваться в обоих режимах. Один класс диэлектриков I охватывает весь диапазон.

В2: Почему остаточный заряд искажает сигнал EMAT?

Поскольку остаточное напряжение проявляется в виде низкочастотного пьедестала на ультразвуковой кривой. Пьедестала в 2 % достаточно, чтобы замаскировать эхо-сигнал от трещины в 5 %, а также он сдвигает амплитуду следующего импульса PEC. Сбросьте напряжение батареи ниже 1 % от напряжения заряда перед включением следующего режима.

В3: Какую длину кабеля можно проложить между блоком и катушкой?

В ветви EMAT практически ничего нет. Кабель длиной 1 м добавляет от 50 нГн до 100 нГн, а целевая общая индуктивность составляет 20 нГн, поэтому время нарастания превышает 300 нс, и высокочастотная составляющая импульса теряется. Установите конденсатор на катушке и запускайте триггер как сигнал с низким током.

Вопрос 4: Какова глубина проникновения, достигаемая в режиме PEC?

При использовании насыщенной стенки из углеродистой стали глубина проникновения сигнала на частоте 10 Гц превышает 40 мм, поэтому для стенки толщиной 25 мм наблюдается сигнатура внутренней поверхности. Эффективная глубина также зависит от ширины импульса: конденсатор 1 мкФ, подключенный к резистору 1.5 Ом, дает импульс длительностью 1.5 мкс, что коротко для толстой стенки. Для стенки толщиной 25 мм используйте конденсатор 100 мкФ.

В5: Насколько точной должна быть синхронизация двух режимов?

В течение 10 нс. На этапе слияния сравниваются две карты в одной точке, поэтому дрожание триггера проявляется как ошибка амплитуды, а не как ошибка положения. Используйте один генератор синхронизации для обоих триггеров и проложите управляющий сигнал затвора парой, при этом обратный путь проходит под сигнальной трассой.

В6: Как обеспечить согласованность калибровки в двух режимах?

Проверяйте участки с точностью до ±1 %, сохраняйте измеренные значения ESR и емкости каждого участка в прошивке зонда и повторно проверяйте значения после любой замены компонента. Изменение, внесенное производителем, которое в 3 раза увеличивает ESL, одновременно изменяет время нарастания EMAT и ширину импульса PEC, поэтому обеим режимам требуется новая калибровка.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Х. Ван, П. Занчетта, Дж. Клэр и К. Цзи, Моделирование и управление источником питания на основе высоковольтного резонансного преобразователя с нулевым током переключения для радиочастотных источников.IET Power Electronics, том 5, № 4, стр. 401-409, 2012. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2010.0400
8. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
9. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量 (Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов). Пекин: 中国标准出版社, 2018.
10. США 6,181,543, Высоковольтный керамический конденсаторПатент выдан компанией Murata Manufacturing Co., Ltd. в 2001 году, https://www.freepatentsonline.com/6181543.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com