Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ объекта контроля и методов обнаружения трещиноподобных дефектов 10
1.1 Трещиноподобные дефекты магистральных трубопроводов. Причины их возникновения и развития 10
1.2 Анализ методов обнаружения трещиноподобных дефектов. Метод акустической эмиссии 16
1.3 Обобщенная структурная схема предлагаемой информационно-измерительной системы на основе явления акустической эмиссии 28
Выводы 30
2 Моделирование развивающегося трещиноподобного дефекта в магистральном трубопроводе 32
2.1 Математическая модель развивающегося трещиноподобного дефекта 32
2.2 Моделирование реакции участка магистрального трубопровода на развитие трещиноподобного дефекта 38
Выводы 46
3 Экспериментальное исследование сигналов акустической эмиссии от трещиноподобных дефектов 48
3.1 Исследование параметров сигналов акустической эмиссии от трещиноподобных дефектов при испытаниях образцов магистральных трубопроводов 48
3.2 Исследование изменений сигналов акустической эмиссии при их распространении в магистральных трубопроводах 62
3.3 Оценка адекватности результатов моделирования и экспериментальных исследований 74
Выводы 78
4 Алгоритмическое и программное обеспечение информационно-измерительной системы 80
4.1 Анализ методической погрешности 80
4.2 Алгоритм калибровки информационно-измерительной системы 84
4.3 Алгоритм обработки сигналов акустической эмиссии от трещи-ноподобных дефектов 87
4.4 Описание программного обеспечения информационно-измерительной системы 92
Выводы 97
5 Описание информационно-измерительной системы и результатов производственных испытаний 98
5.1 Функциональная схема информационно-измерительной системы 98
5.2 Описание работы модуля сбора и обработки информации 106
5.3 Результирующая погрешность разработанной системы 112
5.4 Результаты производственных испытаний 113
Выводы 116
Заключение 117
Библиографический список 119
Приложения 128
- Анализ методов обнаружения трещиноподобных дефектов. Метод акустической эмиссии
- Моделирование реакции участка магистрального трубопровода на развитие трещиноподобного дефекта
- Исследование изменений сигналов акустической эмиссии при их распространении в магистральных трубопроводах
- Алгоритм калибровки информационно-измерительной системы
Введение к работе
Актуальность темы.
Магистральные трубопроводы (МТ) играют важную роль в российской экономике — по ним транспортируется 100% добываемого газа, 98% нефти и 50% нефтехимической продукции. Так как транспортируемые среды обладают пожа-ровзрывоопасными и токсичными свойствами, то МТ являются опасными промышленными объектами, аварии на которых могут привести к человеческим жертвам и многомиллионным убыткам, нанести непоправимый урон экологии. Таким образом, проблема обеспечения безопасной эксплуатации МТ и предотвращения возможных аварий имеет огромное значение.
Аварии на МТ происходят по разным причинам: в результате дефектов труб и сварных соединений, нарушений правил эксплуатации, влияния стихии или преступных действий людей. Как свидетельствует статистика, причиной большинства аварий являются дефекты труб и сварных соединений, среди которых соответственно лидируют коррозионные и трещиноподобные дефекты (Т-дефекты).
Коррозионные повреждения представляют собой зоны утонений труб, вызванных электрохимическими процессами на поверхности МТ. Они возникают во время эксплуатации МТ, а скорость их развития определяется агрессивностью транспортируемого продукта, условиями окружающей среды и антикоррозионными свойствами материала МТ. Несмотря на широкий диапазон значений указанных параметров, скорость коррозии может быть существенно снижена путем повышения качества антикоррозионных покрытий, применения коррозионно-стойких материалов, ингибиторов и электрохимической защиты. Таким образом, накопление коррозионных повреждений может происходить постепенно в течение длительного времени, что позволяет планировать и осуществлять ремонтно-профилактические мероприятия по обслуживанию МТ.
К Т-дефектам сварных соединений относятся разрывы металла с малой величиной раскрытия — трещины, а также непровары, несплавления и подрезы. Их возникновение обусловлено нарушениями технологии изготовления и монтажа,
5 а дальнейшее развитие происходит в процессе эксплуатации под действием статических напряжений, циклических изменений режимов перекачки, пульсаций перекачиваемой среды, температурных деформаций, подвижек грунтов, ветровых и снеговых нагрузок (для наземных участков), изгибающих и крутящих моментов в местах изменения трассировки и т.п. К развитию Т-дефектов может также привести воздействие на МТ машин и механизмов в районах с большой плотностью населения и высокой степенью урбанизации.
Т-дефекты разделяются на поверхностные и внутренние (скрытые). В первом случае они могут быть выявлены и устранены на стадии монтажа, а во втором - представляют скрытую опасность для целостности МТ. В отличие от коррозии развитие Т-дефектов невозможно прогнозировать и они могут привести к разрушению МТ в короткий срок. В связи с этим, выявлению скрытых Т-дефектов МТ требуется уделять особое внимание.
Для обнаружения Т-дефектов МТ применяются приборы и информационно-измерительные системы (ИИС), основанные на различных методах неразру-шающего контроля. Однако почти все они имеют существенные недостатки: требуют большого объема подготовительных работ и значительных временных затрат на проведение контроля, не обладают дистанционностью, имеют сильную зависимость чувствительности и точности от свойств материала МТ, ориентации и расположения Т-дефектов, не обладают быстродействием для оценки развития Т-дефектов в реальном времени.
Поэтому разработка методов и ИИС, обеспечивающих высокую чувствительность, точность и быстродействие, позволяющих за короткое время обследовать протяженные участки МТ, является задачей актуальной и своевременной.
Целью диссертационной работы является разработка метода и ИИС обнаружения и локализации развивающихся Т-дефектов МТ в режиме реального времени.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:
Проведено исследование МТ как объекта контроля и сформулированы требования к разрабатываемой ИИС, на основании которых выбрано явление акустической эмиссии (АЭ), положенное в ее основу.
Разработана математическая модель развивающегося Т-дефекта и исследована реакция участка МТ на единичное приращение Т-дефекта.
Проведены экспериментальные исследования сигналов АЭ при испытаниях образцов и участков действующих трубопроводов, на основании чего выбран информативный параметр сигналов АЭ от развивающихся Т-дефектов.
Проведено исследование методической погрешности при изменении внешних факторов и параметров объекта.
Предложена структура ИИС для обнаружения и локализации развивающихся Т-дефектов МТ с возможностью калибровки на объекте.
Разработаны алгоритмы калибровки ИИС и обработки сигналов АЭ от развивающихся Т-дефектов.
Разработана аппаратная часть ИИС, ее функциональная и принципиальная схемы.
Проведена оценка результирующей погрешности разработанной ИИС.
Методы исследования.
При решении поставленных задач были использованы основные положения теории измерений, теории линейной упругости и механики деформируемого твердого тела, аппарат математического анализа и теории погрешностей, а также результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований.
Научная новизна заключается в следующем:
Разработана математическая модель, описывающая связь амплитуды сигналов АЭ с величиной образовавшегося микроразрыва при развитии Т-дефекта, адекватность которой с заданной точностью подтверждена результатами экспериментальных исследований.
Проведены исследования на образцах и действующих трубопроводах, кото-
7 рые позволили оценить изменения сигналов АЭ от Т-дефектов при распространении в объекте, описать зависимость параметров сигналов АЭ от расстояния до Т-дефекта, обосновать выбор информативного параметра.
Разработан метод и алгоритм, основанный на измерении энергетического параметра (площади под огибающей) сигналов АЭ, позволяющий обнаруживать Т-дефекты на протяженных участках МТ.
Проведено исследование методической погрешности, что позволило учесть влияние внешних факторов и неизмеряемых параметров объекта на результат измерения.
Разработана структура ИИС с возможностью калибровки, что позволяет минимизировать влияние внешних факторов и неизмеряемых параметров объекта на результат измерений.
Практическая ценность работы:
Разработанная математическая модель обеспечивает высокую точность расчета сигнала АЭ, возникающего на ранней стадии развития Т-дефекта.
Разработана и внедрена быстродействующая компактная ИИС, с помощью которой проводится экспресс-диагностирование протяженных участков МТ, работающих в сложных природно-климатических условиях.
Разработанная ИИС позволяет эффективно выявлять Т-дефекты на ранней стадии их развития на участках МТ длиной до 70 м с погрешностью не более 3,0% от расстояния между преобразователями.
Результаты диссертационной работы служат основой для разработки ИИС стационарного контроля (мониторинга) на участках МТ, испытывающих интенсивные нагрузки.
Внедрение результатов работы.
Разработанная ИИС внедрена в Самарском филиале ОАО «Оргэнерго-нефть» и используется в практике диагностирования МТ, о чем имеются соответствующие акты внедрения. Алгоритмическое и программное обеспечение
8 используются также в Негосударственном образовательном учреждении «Учебный Центр «Самара» в процессе подготовки специалистов неразрушающего контроля. Результаты исследований, выполненных с участием автора, использованы в положениях «Программы проведения пневмоиспытаний технологических трубопроводов морской нефтегазодобывающей платформы Molikpaq с применением акустико-эмиссионного контроля» (письмо №11-18/2055 от 03.06.2008 о согласовании с Федеральной службой РФ по экологическому, технологическому и атомному надзору).
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на 3-й Международной конференции «Диагностика трубопроводов» (г. Москва, 2001), 3-й Международной конференции «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике» (г. Москва, 2002), 17-й Российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» (г. Екатеринбург, 2005), 5-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2006).
Личный вююд.
Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.
Публикации.
Основные результаты исследования представлены в 15 печатных работах, в том числе из Перечня журналов, рекомендованных ВАК РФ — 3.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 133 страницы основного текста, 44 рисунка, 9 таблиц, список литературы из 105 наименований, 3 приложения.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Разработанная математическая модель Т-дефекта МТ.
Результаты экспериментальных исследований сигналов АЭ от Т-дефектов, полученных при испытаниях образцов и действующих МТ.
Метод и алгоритм обнаружения Т-дефектов МТ на основе измерения энергетического параметра (площади под огибающей) сигналов АЭ.
Результаты исследования методической погрепшости от влияния внешних факторов и неизмеряемых параметров объекта.
Структура ИИС, обеспечивающая возможность калибровки на объекте.
Разработанная РШС для обнаружения и локализации развивающихся Т-дефектов МТ.
Анализ методов обнаружения трещиноподобных дефектов. Метод акустической эмиссии
Для обнаружения скрытых Т-дефектов МТ могут быть использованы следующие виды неразрушающего контроля: радиационный, магнитный, вихре-токовый и акустический, основанные на различных физических явлениях [15, 37-41]. Каждый из указанных видов, в свою очередь, разделяется на методы, которые классифицируются в соответствии с ГОСТ 18353-79 по ряду признаков: характеру взаимодействия физических полей с контролируемым объектом, первичным информативным параметрам и способам получения первичной информации [39]. Кроме того, иногда вводятся дополнительные признаки: по типу применяемых преобразователей (детекторов), схемам проведения контроля и пр. Такая классификация является достаточно сложной и разветвленной. Более удобной для последующего анализа является система классификации, представленная на рисунке 1.2, в основе которой лежит деление методов на активные и пассивные по факту их влияния на состояние и свойства материала МТ. Первые предполагают возбуждение в МТ и последующую регистрацию соответствующего физического поля, параметры которого изменяются при взаимодействии с Т-дефектом. Вторые основаны только на регистрации изменений состояния и свойств материала МТ, вызванных Т-дефектом в процессе эксплуатации МТ. Следует особо отметить, что в этой системе классификации представлены только те методы, которые имеют возможность технической реализации при контроле МТ. Внутри групп существует деление по наиболее значимым для каждой конкретной группы признакам. Из приведенной схемы видно, что почти все методы, за исключением метода АЭ, относятся к активным. Последние могут использовать различные варианты взаимодействия физического поля с объектом: прохождение и отражение от него, а также их комбинацию [42].
Дальнейший анализ методов проводится в соответствии с их принадлежностью к группам (видам контроля), указанным на рисунке 1.2 и с учетом введенного деления на активные и пассивные. Радиационные методы основаны на регистрации излучения, прошедшего через контролируемый объект. При наличии Т-дефекта в объекте плотность материала в его зоне отличается от плотности прилегающего бездефектного материала, что ведет к изменению параметров проникающего излучения. При радиационном контроле с одной стороны стенки МТ размещают источник излучения, а с противоположной — детектор. С помощью радиационных методов можно обнаружить Т-дефекты минимальным размером 0,1-0,5 мм [41, 42]. Конкретное значение чувствительности определяется толщиной стенки МТ, интенсивностью излучения, временем экспозиции, расстоянием от источника до поверхности МТ. Относительная погрешность измерения длины и глубины Т-дефекта различается: для первого из указанных параметров она, как правило, не превышает 5%, тогда как для второго может достигать 30% [43,44].
Возможности данных методов не отвечают установленным требованиям к ИИС: для их применения необходима длительная остановка МТ, освобождение его от продукта и обеспечение двустороннего доступа к поверхности. Детектор должен иметь непосредственный контакт с поверхностью МТ, а результаты контроля зависят от субъективных факторов: свойств детектора, направления и схемы просвечивания, расположения и ориентации Т-дефекта в материале МТ. Радиационные методы не обладают дистанционностью и быстродействием, по результатам контроля невозможно прогнозировать развитие Т-дефектов, а ионизирующее излучение представляет опасность для персонала.
Магнитные методы основаны на взаимодействии магнитного поля, создаваемого в материале контролируемого объекта с дефектами, вносящими искажение в картину генерируемого поля. Объект намагничивают с помощью статических или низкочастотных полей и затем исследуют изменение их параметров. Для намагничивания может использоваться постоянный магнит, электромагнит, соленоид, а для регистрации градиента поля, вызванного Т-дефек-том - преобразователи Холла, магнитная лента, феррозонды и другие устройства (или вещества), реагирующие на изменение магнитного потока. Магнитные методы позволяют выявлять в производственных условиях Т-дефекты протяженностью от 0,5 мм и глубиной от 0,02 мм [42, 45]. Конкретное значение чувствительности определяется параметрами создаваемых магнитных полей, магнитными характеристиками металла МТ и способом регистрации. Погрешность измерения размеров Т-дефекта зависит от его расположения относительно направления магнитного потока, скорости сканирования, числа и типа преобразователей, алгоритма обработки сигналов и составляет, как правило, 10-20% по длине и 20-30% по глубине [46,47].
Контроль магнитными методами может проводиться без остановок МТ, на параметры магнитного поля не оказывают влияния температура, давление, влажность окружающей среды, а также физико-химические свойства транспортируемого продукта. Контроль может осуществляться с высокой скоростью (до 4-5 м/с при доступе изнутри), контактным и бесконтактным способами, при од 20 ностороннем доступе к поверхности МТ. Магнитные методы обладают довольно высокой чувствительностью и безопасны для персонала. На их основе создаются внутритрубные и наружные ИИС с возможностью автономного питания, работающие в ручном и автоматическом режимах [46, 48].
Моделирование реакции участка магистрального трубопровода на развитие трещиноподобного дефекта
Поскольку в результате «скачка» Т-дефекта происходит изменение величин напряжений и деформаций в прилегающем материале МТ [10, 20, 32, 35], то реакцию протяженного участка МТ на развитие Т-дефекта можно исследовать путем оценки изменений его напряженно-деформированного состояния.
Как известно, оценка напряженно-деформированного состояния различных конструкций может выполняться аналитическим и численным способами [10, 11, 38]. Однако первый способ практически невозможно использовать для реальных объектов ввиду множества накладываемых граничных условий. Поэтому для решения подобных задач широко применяются численные методы. В данной работе для оценки изменений напряженно-деформированного состояния МТ от «скачка» Т-дефекта был использован численный метод конечных элементов.
Указанный метод относится к вариационно-разностным приближенным методам решения задач поля. Суть его состоит в переходе от континуальной расчетной модели сплошного тела к дискретной модели, состоящей из конечных элементов простой геометрической формы (треугольников, оболочек, тетраэдров и пр.). Таким образом, задача исследования напряженно-деформированного состояния в континуальной модели сводится к нахождению напряжений и деформаций в некотором числе узловых точек, соединяющих конечные элементы [80, 81].
Оценка изменений напряженно-деформированного состояния участка МТ от «скачка» Т-дефекта проводилась с использованием пакета программ конеч но-элементного моделирования ANSYS версии 10. Этот пакет предназначен для решения широкого круга научно-исследовательских задач, в том числе позволяет в трехмерной постановке рассчитывать напряженно-деформированное состояние различных конструкций, содержащих Т-дефекты [82, 83].
Процесс моделирования состоял из трех этапов, выполняемых последовательно. На первом этапе задавались параметры элементов и строилась геометрическая модель участка МТ. При этом бьш создан ряд моделей из труб с наружным диаметром 530, 720, 820, 1020 и 1220 мм и толщиной стенки 10 мм, что соответствует размерам стандартных труб нефтегазового сортамента [3].
На втором этапе было проведено разбиение поверхности участка МТ на конечные элементы. Выбор типа и числа элементов определялся требуемой точностью получения решения и необходимыми вычислительными ресурсами. В качестве конечного элемента бьш выбран 4-узловой оболочечный элемент SHELL63, который позволяет с высокой точностью (не менее 99%) моделировать различные кривые поверхности [82, 83]. Исходя из возможного вклада погрешности модели в итоговые результаты и учитывая имеющиеся вычислительные ресурсы, производилась некоторая идеализация исходной геометрии. Было создано несколько вариантов разбиений поверхности с различной степенью детализации, из которых выбрана оптимальная. Она включает в себя 150 тысяч элементов и более 500 тысяч узлов, что позволяет оперативно (в пределах 1—2 часов) проводить расчет, обеспечивая приемлемую точность (не менее 98%). На рисунке 2.3 приведен фрагмент конечно-элементной модели МТ в укрупненном виде.
На третьем шаге задавались условия залегания МТ, свойства его материала и параметры нагружения. Моделировалось два варианта расположения МТ -наземное и подземное, для каждого из которых рассматривался случай заполнения газообразной или жидкой средой. В последнем случае, кроме элемента SHELL63 использовался элемент FLUTO80 со свойствами жидкости, плотность которой изменялась от 760 (бензин) до 860 кг/м (тяжелая нефть). При подзем ном расположении МТ глубина его залегания задавалась равной 1 м, учитывалось сцепление стенок труб с грунтом, а свойства грунта (песчаник, суглинок, глинозем) задавались согласно [84]. В качестве материала МТ была выбрана широко распространенная марка трубопроводной стали - 17ГС (77=0,28-109 Па) [3]. Поведение материала при проведении расчетов принималось упругим, а на-гружение - динамическим.
Для выявления резонансных частот, которые могли повлиять на результаты оценки напряженно-деформированного состояния МТ от «скачка» Т-дефекта, были определены формы и собственные частоты колебаний МТ выше упомянутых типоразмеров. На рисунке 2.4 представлены наиболее характерные формы колебаний для МТ диаметром от 530 до 1220 мм. Их частоты находятся в пределах от 1,0 до 1,1 Гц. На основании полученных данных был сделан вывод об отсутствии влияния собственных частот МТ на результаты оценки напряженно-деформированного состояния от «скачка» Т-дефекта, поскольку сигналы АЭ регистрируются в диапазоне свыше 10 кГц [57, 63-67]. После выполнения всех вышеперечисленных действий был проведен расчет изменений напряженно-деформированного состояния МТ в результате единичного приращения Т-дефекта. Для моделирования этого приращения использовались данные, полученные в предыдущем разделе работы. В частности, на поверхность МТ площадью 1 мм2 воздействовали единичным импульсом давления, направленным перпендикулярно верхней образующей МТ и изменяющимся в соответствии с условиями (2.11). Длительность импульса задавалась равной 10 мкс, а его амплитуда варьировалась от 1-Ю4 до 7-Ю4 Па, что соответствовало известным экспериментальным данным о параметрах развивающихся Т-дефектов [57, 77]. Время расчета зависело от общего числа элементов, числа контактирующих элементов (плотности сетки), величины шага по нагружению, числа подшагов и максимально допустимого числа равновесных итераций на каждом подшаге.
Исследование изменений сигналов акустической эмиссии при их распространении в магистральных трубопроводах
После проведения стендовых испытаний образцов был выполнен ряд экспериментальных исследований на действующих МТ [88]. Они включали в себя оценку шумов, измерение скорости распространения сигналов АЭ от специального имитатора и анализ изменений их параметров при прохождении по МТ.
Исследования проводились на участках нефтепровода «Омск-Иркутск» (Иркутское РНУ, ОАО «ТрансСибнефть») и газопровода «Уренгой-Сургут-Челябинск» (Пурпейское ЛПУМГ, ООО «Сургутгазпром»). Оба МТ имели одинаковые параметры (диаметр 720 мм, толщину 10 мм) и условия залегания (подземная прокладка). В обоих случаях материалом труб являлась низколегированная сталь 17ГС. Идентичность исходных данных позволяла сравнивать получаемые результаты.
Перед проведением исследований была выполнена разметка МТ под установку ПСАЭ и имитатора. Исследования предполагали установку одного ПСАЭ и последовательное перемещение имитатора по верхней образующей МТ из места установки ПСАЭ до точки, в которой происходит полное затухание сигнала от имитатора. Для разметки были выбраны участки длиной по 50 м, что соответствовало расстояниям, полученным при моделировании реакции МТ методом конечных элементов. На удалении до 5 м разметка проводилась через каждые 0,5 м, чтобы детально оценить изменения сигналов в «ближней зоне», а затем — через каждые 5 м. Во всех точках поверхность МТ была освобождена от изоляции и зачищена абразивным инструментом до шероховатости 40 мкм.
По окончании разметки проводилась установка ПСАЭ на поверхность МТ и измерение уровня шумов объекта. Известно, что уровень шумов при контроле МТ может определяться следующими факторами [65, 67, 89]: - погодными условиями (воздействием дождя, снега, града); - работой механизмов и машин поблизости от контролируемого участка; - электромагнитными наводками от расположенных поблизости высоковольт ных линий электропередач, радиостанций, электрифицированных железных дорог; - режимами перекачки продукта. Для устранения влияния вышеуказанных факторов были выполнены следующие организационно-технические мероприятия: - исследования проводились в период отсутствия осадков; - шумы от работающих машин и механизмов были исключены их отводом на достаточное расстояние; - влияние электромагнитных помех устранялось экранированием кабелей связи и заземлением ИИС.
Таким образом, шумы определялись только гидродинамическими и аэродинамическими явлениями при перекачке продукта. Максимальный уровень указанных шумов не превышал 17 мкВ. Для их подавления в каналах ИИС задавался порог амплитудной дискриминации равный 20 мкВ, который не перекрывал диапазона измерения амплитуды сигналов АЭ, установленного ранее.
После оценки уровня шумов выполнялись измерения скорости распространения сигналов АЭ от имитатора и анализ изменений их параметров. В качестве анализируемых параметров выступали основные параметры сигнала АЭ: амплитуда, длительность, площадь под огибающей сигнала, а также спектр мощности.
Для возбуждения сигналов АЭ применялся специальный имитатор AECAL-2 производства компании «Physical Acoustic Corp.» (США). Он позволяет генерировать электрические импульсы с программно задаваемыми амплитудой и длительностью, обеспечивая при этом высокую стабильность выходных параметров (разброс их значений для серии из 100 импульсов не превышает 0,15%) [90]. В данном случае на выходе имитатора задавался сигнал с амплитудой 32 мВ и длительностью 150 мкс, что соответствовало сигналу АЭ от приращения Т-дефекта на 1 мм. На рисунке 3.9 приведена форма сигнала АЭ на выходе имитатора.
Регистрация сигналов АЭ осуществлялась ИИС «Малахит АС-12А». Частота оцифровки сигналов составляла 2,5 МГц, длительность развертки менялась от 512 до 16382 мкс (в зависимости от расстояния между ПСАЭ и имитатором).
На рисунках 3.10-3.12 приведены осциллограммы сигналов АЭ и соответствующие им нормированные спектры мощности, которые были зарегистрированы ПСАЭ на различных расстояниях от имитатора. На основании их анализа были сделаны следующие выводы:
1. При увеличении расстояния, проходимого сигналом АЭ от имитатора до ПСАЭ, происходит изменение первоначальной формы сигнала и его частотного содержания. Данный факт может быть объяснен затуханием высокочастотных составляющих и возникновением резонансных явлений на более низких частотах. При этом амплитуда сигнала уменьшается от 32 мВ до 20 мкВ, длительность возрастает от 150 мкс до 14 мс, спектр смещается в область низких частот - 30-80 кГц. Полученные данные позволяют уточнить требования к параметрам разрабатываемой ИИС - полосе рабочих частот, амплитудному динамическому диапазону и т.п.
2. Большее изменение формы и спектра мощности наблюдается у сигналов, зарегистрированных на нефтепроводе, что свидетельствует о влиянии свойств транспортируемой среды на процесс распространения сигналов АЭ.
3. Сигнал АЭ, возникающий в МТ, переносится не одним типом волны, а целым волновым «пакетом». Даже на расстоянии 0,5 м от ПСАЭ видно, что сигнал содержит 3 составляющих. Первая составляющая, которая имеет наибольшую частоту и наименьшую амплитуду, является продольной волной, распространяющейся со скоростью около 5900 м/с (для углеродистых и низколегированных сталей). Вторая составляющая, имеющая максимальную амплитуду, обусловлена действием поперечной волны ( 3200 м/с). Третья составляющая представляет собой одну из мод волн Лэмба, скорость распространения которых зависит от частоты сигнала. С увеличением расстояния одни типы волн полностью затухают, а влияние других становится более заметным. Например, на расстояниях до 4 м в нефтепроводах и газопроводах, могут быть зарегистрированы все указанные типы волн. С увеличением расстояния продольные и поперечные волны затухают, но усиливается действие волн Лэмба и волн, распространяющихся по продукту. Вышеизложенные выводы подтверждают другие результаты проведенных исследований. На рисунке 3.14 показано изменение скорости распространения сигналов АЭ от расстояния между ПСАЭ и имитатором. Измеренные значения скоростей позволяют сделать вывод о возможности распространения в МТ продольных, поперечных, нормальных (лэмбовских) волн, а также переноса сигналов АЭ волнами в жидкости (для нефтепродуктопроводов).
Алгоритм калибровки информационно-измерительной системы
Для снижения случайной составляющей методической погрешности был разработан алгоритм калибровки ИИС.
Калибровка проводится путем излучения и приема тестовых сигналов АЭ с использованием ПСАЭ, входящих в состав разрабатываемой ИИС. Перед началом калибровки необходимо установить оба ПСАЭ через слой контактной смазки на освобожденную от изоляции и зачищенную поверхность МТ. При этом максимальное расстояние между ПСАЭ не должно превышать расчетных значений, указанных в таблице 2.1. Последующие действия описываются алгоритмом из 11 шагов, схема которого представлена на рисунке 4.2.
АЭ с величиной «скачка» Т-дефекта: константы материала МТ - плотность р, модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона v, а также радиус микроразрыва R и параметры нагружения - амплитуда Амакс импульса давления в области микроразрыва и частота т. Для задания параметров нагружения используется зависимость (2.12), где Рмт— величина внутреннего давления в МТ на момент проведения измерений. Также задается коэффициент электроакустического преобразования Кц для пересчета амплитуды смещения (мм) в сигнал электрического напряжения (мкВ) на выходе излучающего ПСАЭ.
Полученные значения записываются в память ПЭВМ и используются в дальнейшем для сравнения со значениями сигналов АЭ, зарегистрированными принимающим ПСАЭ.
Затем задается число (серия) излучаемых сигналов АЭ и частота их повторения. После их ввода запускается режим излучения для выбранного ПСАЭ и серия тестовых сигналов, пройдя по МТ заданное расстояние, регистрируется другим ПСАЭ, работающим в режиме приема.
В принимающем канале ИИС для каждого регистрируемого сигнала осуществляется измерение мгновенных значений un(t), расчет площади под огибающей 5я в соответствии с известным выражением для метода трапеций [93], а также определяется время калибровки , т.е. время, прошедшее с момента излучения до момента приема сигнала. Указанные параметры записываются в память ПЭВМ.
Найденные значения Sn и Ткал используются для расчета скорости скал распространения сигналов АЭ от излучаемого к принимающему ПСАЭ и нахождения вида зависимости S(r), аппроксимирующей изменение площади под огибающей сигнала АЭ от расстояния.
Результаты калибровки в виде значений SHi Sn, скал, tKCmi Ss, St и зависимости S(r) выводятся на экран ПЭВМ. В дальнейшем они могут быть использованы в работе алгоритма обработки сигналов.
Алгоритм предусматривает возможность изменения значений входных параметров и проведения повторной калибровки. В противном случае происходит завершение его работы с одновременной записью полученных значений в память ПЭВМ.
Схема алгоритма обработки сигналов АЭ Поступившие сигналы сравниваются с программно задаваемым уровнем амплитудной дискриминации щискр и в случае его превышения записываются в память ПЭВМ. При этом происходит регистрация моментов, соответствующих первому превышению уровня дискриминации для каждого сигнала, т.е. регистрируется время начала их прихода - t" и t% . Также производится расчет площади под огибающей Si и»% для каждого сигнала.
Следующим шагом является ввод данных, полученных в результате калибровки. Из памяти ПЭВМ считываются Sl{, Sn, с ,,, tK(VI и вводится зависимость S(r). SM и Sn используются для проверки принадлежности зарегистрированных сигналов диапазону измеряемых значений (с учетом Ss). Кроме того, осуществляется проверка времен прихода сигналов, чтобы исключить возможность ошибочной локализации сигналов от разных источников (с учетом 5,).
Таким образом, осуществляется локализация только тех сигналов, разница времен прихода которых не превышает времени, затрачиваемого на прохождение максимального расстояния между ПСАЭ.
С учетом полученного значения г определяются модули абсолютной погрешности Аг] и Аг2, которые сравниваются между собой. Координатой Т-дефекта считается то значение г1 (относительно ПСАЭ №1) или г2 (относительно ПСАЭ №2), для которого найденное отклонение минимально. После этого происходит вьшод на монитор ПЭВМ результатов расчета /, .% г и алгоритм завершает работу.
Предложенный алгоритм может быть достаточно просто реализован и позволяет с максимальным быстродействием и точностью выполнять обнаружение и локализацию развивающихся Т-дефектов. 4.4 Описание программного обеспечения информационно-измерительной системы
Для реализации вышеописанных алгоритмов была разработана специальная программа AEMainPipe. Она написана на языке программирования Delphi 7.0 и полностью совместима с многозадачной операционной системой Windows ХР.
В соответствии с используемыми алгоритмами программа имеет возможность работы в двух режимах: калибровки и рабочих измерений. На рисунке 4.4 показан вид основного окна программы, отображающегося после ее загрузки на экране ПЭВМ. Из этого рисунка видно, что программа имеет главное меню с пунктами «Файл», «Графики», «Калибровка», «Измерение» и «Выход», а также рабочее поле, состоящее в свою очередь из трех полей с числовыми значениями: «Параметры модели», «Результаты калибровки», «Настройки каналов ИИС» и поля графика, представляющего собой локационную карту контролируемого участка МТ.
Пункт главного меню «Файл» содержит 3 подпункта: «Создать», «Открыть» и «Сохранить», выбирая которые можно создавать, загружать и сохранять файлы результатов калибровки (с расширением cal) и рабочих измерений (с расширением acd).
Похожие диссертации на Информационно-измерительная система для обнаружения и локализации развивающихся трещиноподобных дефектов магистральных трубопроводов
