Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных акустических методов и средств неразрушающего контроля и диагностики трубопроводов 11
1.1. Ультразвуковые методы и средства дефектоскопии грубопроводов 11
1.2. Приборы и технические средства ультразвукового конгроля 17
1.3. Приборы и технические средетваакустозмиссионной диагностики 39
1.4. Корреляционные методы контроля коррозионного состояния трубопроводов 52
Глава 2. Теоретические основы ультразвукового неразрушающего контроля многослойных цилиндрических оболочек из композитов с резиноподобным покрытием 57
2.1. Моделирование процесса возбуждения и распространения упругих волн Лэмба вдоль цилиндрической оболочки 57
2.2. Рассеяние упругих волн на дефектах типа «непроклей» между слоями пластика и между пластиком и резиноподобным покрытием 68
2.3. Исследование модели и процесса ультразвукового неразрушающего контроля мної ослойных изделий из ПКМ с резиноподобным покрытием... 80
Глава 3. Основы методики диагностики коррозионного состояния трубопроводов 86
3.1. Физические основы применения ультразвуковых волн Лэмба при кон-гроле за изменением толщины стенки трубопровода, вызванного коррозией 87
3.2. Аппаратурные средства измерения фазовой скорости волн Лэмба в трубопроводах 91
3.3. Основы методики диагностики контроля коррозионного состояния трубопроводов с использованием волн Лэмба So и ао -мод 94
3.4. Низкочастотные пьезоэлектрические излучатели с вырожденными модами колебаний 99
3.5 Оптимизация спектра электрического импульса возбуждения с целью получения упругих импульсов малой длительности 100
Глава 4. Акусто-эмиссионный метод контроля герметичности и определения пространственно временных характеристик акустико-эмиссионных источников 111
4.1. Физические основы акустико-эмиссионного метода 111
4.2. Основы методики определения пространственно временных характеристик акустоэмиссионных источников 117
4.3. Акустическая эмиссия консгрукционных материалов как основа контроля их механического состояния 119
4.4. Кинетическая концепция прочности - методолоїическая основа прогнозирования механического разрушения 121
4.5. Явление акустической эмиссии как среде во наблюдения за грещино-образованием 122
4.6. Модель параметров акустической эмиссии 125
4.7. Принципы акустико-эмиссионного прогнозирования механического разрушения 130
Глава 5. Научно-методические принципы и программ но-аппаратные средства телекоммуника-ционного акустического контроля трубопроводов 134
5.1. Телекоммуникационная система диагностики и контроля коррозионного состояния и герметичности трубопроводов 134
5.2. Программное обеспечение телекоммуникационной системы диагностики трубопровода 143
5.3. Акустический электронный течеискатель типа ФСЭ-1МТ 157
5.4. Основы методики определения пространственных координат проіечек в трубопроводах, находящихся под землей 170
5.5. Конструктивные особенности акустического электронного течеискателя 171
Глава 6. Экспериментальные исследования неразрушающего контроля и диагностики прочности полимерных композиционых материалов и цилиндрических оболочек на их основе 174
6.1. Ультразвуковой временной метод контроля прочности цилиндрических оболочек 175
6.2. Особенности применения волоконно-оптических преобразователей перемещений при испы гании трубопроводов 180
6.3. Акустоэмиссионный метод контроля прочности цилиндрических оболочек 188
6.4. Ультразвуковой метод контроля прочности цилиндрических оболочек по соотношению скоростей УЗК вдоль структурных направлений ПКМ 195
Заключение 200
Основные результаты диссертационной работы 202
Список использованной литературы и ресурсов интернет 203
- Корреляционные методы контроля коррозионного состояния трубопроводов
- Рассеяние упругих волн на дефектах типа «непроклей» между слоями пластика и между пластиком и резиноподобным покрытием
- Основы методики диагностики контроля коррозионного состояния трубопроводов с использованием волн Лэмба So и ао -мод
- Основы методики определения пространственно временных характеристик акустоэмиссионных источников
Введение к работе
Россия по протяженности трубопроводов различного назначения (около 2 млн км внутренних и 15 млн км наружных) занимает второе место в мире после США.
По оценкам специалистов Министерства по чрезвычайным ситуациям, аварийность трубопроводов ежегодно возрастает в 1,7 раза, и в XXI век эти системы жизнеобеспечения страны вошли изношенными на 50-70%....Сейчас на территории России действует 46800 км стальных трубопроводов диаметром от 530 до 1220 мм. Около половины нефтепроводов было построено 30-50 лет назад....
В настоящее время по данным корпорации «Лукойл» протяженность российских трубопроводов "в возрасте" более 20 лет составляет 37,1%; более 30 лет -15,9%. На долю "двадцатилетних" нефтепроводов приходится до 29% от их общей протяженности, а 25% - уже перевалило рубеж в 30 лет. За последние 10 лет было обследовано более 40 тыс. км магистральных нефтепроводов..., выявлено 14 іьіс. опасных дефектов.
На газопроводах за последние 10 лет по данным корпорации «Лукойл» по результатам пропуска внугритрубных снарядов-дефектоскопов обнаружено более 7,8 тыс. дефектов различного вида (вмятины, "задиры", коррозионные повреждения), требовавших безотлагательного ремонта. Было устранено более 2,1 тыс. и5 них, кроме того, заменено около 80 км труб.
Таблица 1 Зависимость доли дефектных труб от срока их службы, %
20-30 лет 64,7
35,3
0,44
До 10 лет 10-20 лет
Бездефектные трубы 88,1 74,4
I рубы с дефектами 11,9 25,6
В том числе с опасными де-„ „. „ . .
фектами ' '
Даже при использовании самых современных методик для распознавания дефектов не всеїда представляется возможным определять степень их потенциальной опасности.
Так, например, затруднена оценка дефекта как концентратора напряжений, не определяются изменения физико-механических свойств в связи со старением трубных сталей, напряжения в теле самой трубы, участки катодного оіслаивания изоляции и сохранения ее защитных свойств и др. Словом, внутритрубная диагностика пока не в состоянии решить многие из проблем, связанных с эксплуатацией магистральных трубопроводов. По информации, доступной Greenpeace, от 10 до 20 миллионов тонн нефти и от 6 до 50 миллиардов кубических метров іаза в России теряюіся ежегодно из-за утечек и загрязняют окружающую среду Масштаб утечек составляет от 3 до 7 % от общею количества добываемой нефти.
В основном, аварии на нефтепроводах происходя і по причине износа труб (более 1/3 нефтепроводов имеюг возраст более 30 лет), из-за внутренней коррозии (внутрипромысловые нефіепроводьі) и из-за внешней коррозии (магистральные нефтепроводы). Часю нефтепроводы прокладывают с нарушением глубины зало-
жения. На внутрипромысловых нефтепроводах 42 % труб служаї менее 5 леї из-за внутренней коррозии. В результате сокращения утечек до уровня мирового стандарта можно сохранить до 24 миллиардов кубометров газа.
Современные методы и средства неразрушающеіо контроля и диаіносійки трубопроводов получили широкое развитие и распространение. Наибольшее применение получили такие методы как магнитные (магнитной анизотропии, магнитной памяти металла, магнитной проницаемости и др.), акустические (импульсные ультразвуковые, волн Лэмба, фазовые, акустоэмиссионные, шумодиагностические и др.), электрические, оптические (визуальные - эндоскопические, лазерные, голо-графические и др.) и др. Данные мсі оды применяются при контроле различных дефектов, нарушения герметичности, коніроле напряженного состояния, контроле сварных соединений, контроле протечек и др. параметров, ответственных за эксплуатационную надежность трубопроводов. При этом, контроль трубопроводов различного назначения (теплопроводов, газопроводов, нефтепроводов, продукю-проводов, водопроводов и др.) незначительно отличается друг от друга.
В работе приведен анализ современных акустических методов и средств не-разрушающего контроля и диагностики трубопроводов различного назначения.
Оценка состояния трубопроводов, анализ безопасности их эксплуатации и ранжирование участков трубопроводов по срокам ремонта является важной и актуальной задачей для компаний газовой и нефтяной промышленности.
Насущность решения данной проблемы на современном зіапе, помимо социальных и экологических факторов, обусловлена большой стоимосіью замены или ремонта трубопроводов. Тотальное обновление трубопроводной системы практически не реальная задача для любой крупной газовой или нефтяной компании. Ранжирование участков трубопроводов по срокам их замены или ремонта позволяет спланировать затраты компании, делает их сбалансированными и обоснованными.
Исходные данные для оценки состояния трубопровода определяются в результате: внешней и внугритрубной диагностики; сбора информации о параметрах транспортируемой среды, полученных с помощью интегрированных автоматизированных систем управления (ИАСУ) на уровне компрессорной станции (КС), линейного производственного управления (ЛПУ) или предприятия в целом; металлографических исследований; анализа картоірафического маїериала и проектно-сгроителыюй документации.
Внешняя диаіностика трубопроводов, в частности, позволяет оценить смещения труб от проектного расположения в результаїе есіесгвенной подвижки грунтов и тепловых деформаций трубопроводов.
Внутритрубная диаіностика осущесгвлясіся с помощью специальных магнитных или акустических внутритрубных снарядов-дефектоскопов. Применение современных численных методов позволяет существенно повысить качество внутри-трубной диаіностики и улучшшь конструкцию снарядов-дефектоскопов. Так, например, магнитная дефектоскопия основана на различии параметров магнитною поля в средах с разными магнитными характеристиками. Оценка параметров магниіного поля, создаваемою в трубе при внугритрубной инспекции (с помощью снаряда-дефектоскопа), позволяет на стадии разработки дефектоскопа качественно спроектировать его маїнитную систему. Численный трехмерный анализ
изменения параметров магнитного ноля в зоне различных по конфигурации и типу дефектов дает возможность построения эффективных алгоритмов идентификации дефектов по магнитограммам.
К сожалению, импортная диагностическая техника не всегда приемлема для российских трубопроводов! которые значительно отличаются от зарубежных по качеству их строительства, свойствам материала труб и их изоляционного покры-шя, а также рядом других специфических особенностей.
В настоящее время широкое распространение в народном хозяйсіве получаю і различные изделия из полимерных композиционных материалов и пластмасс, особенно изделия в виде труб, цилиндрических оболочек, емкостей, сосудов высокого давления и др. Их широкое распространение обусловлено высокими эксплуатационными свойствами, отсутствием коррозии, высокой удельной прочное іью, малой плотностью, технологической эффективностью и др. Однако ПКМ имеют и ряд существенных недостатков, основными из которых являются высокая неоднородность физико-механических свойств и наличие специфических дефектов, таких как расслоения, непроклеи и трещины.
Полимерные композиционные маїериальї, имея весьма широкие перспективы использования в различных отраслях техники, требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств их дефектоскопии. Они позволяю і исключить брак на ранних стадиях изготовления изделий и контролировать правильность параметров технологии, оценивать их надежность, технологичность, конструктивную отработку и т.д. Это вызвано тем, что изделие и материал изготавливаю іся одновременно, большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенносіями конструкций из них и технологией изюювления, разбросом физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации изделий из полимерных композиционных материалов.
Вопросам дефектоскопии маїериалов уделяется все большее внимание как у нас в стране, так и за рубежом, о чем свидетельствует непрерывный рост числа учебных центров, задачей которых является подготовка и переквалификация специалистов для работы в области разработки методов дефектоскопии.
В мировой практике неразрушающего контроля существует тенденция повышения информативности методов дефектоскопии и точности результатов контроля как за счет использования все более сложных методов и алюритмов обработки информации, так и применения новых методических приемов, базирующихся на традиционно используемых в практике неразрушающего контроля.
Традиционными методами дефектоскопии изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) являются акустический, радиационный, радиоволновой и тепловой. Одним из наиболее распространенных методов неразрушающею контроля является акустический, имеющий ряд преимуществ перед другими методами контроля изделий из ПКМ:
а) информативным признаком дефекта является изменение параметров упругого импульса, распространяющеюся в контролируемом материале, что расширяеі область применения этого метода в части возможносш определения физико-механических характеристик материала;
б) большая возможность механизации и автоматизации, которая обеспечива
ется высокой технологичностью процесса контроля, а, следовательно, и повышение
производительности контроля;
в) несложная и безопасная по сравнению с другими методами аппаратурная
реализация;
г) сравнительно невысокая стоимость и наличие серийно выпускаемой аппа
ратуры.
Тем не менее, несмотря на все возрастающий объем использования акустических методов дефектоскопии для контроля изделий из ПКМ, проблемам автоматизации этих методов, в т.ч. комплексного контроля, в производственных условиях, исследованиям повышения их достоверности, информативности и т.п. посвящено относительно небольшое количество рабої. Поэтому, учитывая упомянутые преимущества, общую тенденцию развития методов и средств неразрушающего контроля, а также недостаточную степень автоматизации, не позволяющую реализовать все их достоинства, представляется весьма актуальным создание меюда и программно-аппаратных средств автоматизированного акустического неразрушающего контроля как коррозионного состояния трубопроводов из металла, так трубопроводов из полимерных композиционных материалов, обеспечивающего высокую производительность контроля, информативность и достоверность результатов.
Целью диссертационной работы является совершенсівование акустических методов неразрушающего контроля и диагностики физико-механических харакіеристик и дефектов трубопроводов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и коррозионного состояния трубопроводов из металлов.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
провести анализ существующих акустических методов и средств неразрушающего контроля и диагностики физико-механических характеристик и дефектов трубопроводов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и коррозионного состояния трубопроводов из металлов;
разработать теоретические основы распространения пластинчатых волн Лэмба в трубопроводах из ПКМ от широкополосных акустических источников;
разработать оптимальную конструкцию пьезоэлектрического преобразоваїе-ля, излучающего широкополосный сигнал;
провести анализ особенностей и разработать метод диагностики акустически акгивных объектов;
разработать математические и физические модели и алгоритмы для компьютерной обработки акустических сигналов;
- разработать телекоммуникационный преобразователь для дисіанционной
передачи сигнала на большое расстояние;
разработать методику дистанционной диаі носійки коррозионной) состояния трубопровода;
на основе теоретических и экспериментальных исследований провести количественную и качественную оценку информативности параметров при идентификации дефектов типа «несплошносгь» в изделиях из ПКМ и определить наиболее
информативные параметры для использования в методиках и алгоритмах обнаружения и распознавания дефектов.
- провести исследования прочностных харакіеристик ПКМ непосредственно в
трубопроводах без их разрушения
Научная новизна работы состоит в том, что
разработана физико-математическая модель ультразвукового неразрушаю-щего контроля многослойных изделий из ПКМ с резиновым покрытием, приї одная для практических исследований процесса контроля и определения ошимальных параметров ультразвукового тракта;
решена задача моделирования процесса возбуждения упруїих волн и их распространения волн вдоль изогнутой поверхности в многослойных трубах из ПКМ с резиновым покрытием;
в результате исследования распространения упругих волн Лэмба в многослойных изделий из ПКМ с резиновым покрытием установлено, что
достоверно выявляются дефекты типа нарушений сплошности (например, трещина) на расстояниях до 3/8Н от ценгра пластины.
в основном при разработке методик и построении акустического тракта системы неразрушающего контроля необходимо учигьшаїь рассеяние по каналу изгиб-изгиб.
рассеяние изгиб-изгиб имеет выраженную «дипольную» диаграмму направ-ленносш: наиболее уверенно будут выявляться дефекты типа нарушений сплошности (трещины), расположенные недалеко от центральной плоское і и пластины.
получены аналитические зависимости, устанавливающие связь прочное і и цилиндрических оболочек из ПКМ с соотношением скоростей УЗК вдоль и поперек структурных направлений анизотропного композиционного материала;
установлена зависимость величины деформации цилиндрической оболочки из ПКМ при нагружении внутренним давлением составляющим не более 20 % оі разрушающего с ее прочностью, при этом деформация определяется по времени распространения ультразвукового сигнала;
экспериментально установлено значительное снижение скорости продольных и изгибных УЗК в зависимости от степени коррозии меч алла в трубопроводе;
разработана методика телекоммуникационного дистанционного неразрушающего контроля и диагностики коррозионної о состояния трубопроводов;
зкеперименіально установлено наличие взаимосвязи между соотношениями предельных напряжений (прочностей) ПКМ, упругих характеристик и скоростей УЗ К в соответствующих структурных направлениях.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
В результате анализа полученных аналитических зависимостей распространения и рассеяния волн Лэмба в многослойной структуре пластик-резина можно сделать следующие общие выводы и сделать практические рекомендации по определению инженерных ситуационных решений акустического контроля структуры пластик-резина:
- достоверно выявляются дефекты шна нарушений сплошности (например,
трещина) на расстояниях до 3/8Н от центра пластины.
в основном при разработке методик и построении акустического тракта системы неразрушагащего контроля необходимо учитывать рассеяние по каналу изгиб-изгиб.
рассеяние изгиб-изгиб имеет выраженную «дипольную» диаі рамму направленности: наиболее уверенно будут выявляться дефекты типа нарушений сплошности (трещины), расположенные недалеко от центральной плоское і и пласшны.
Огромный экономический эффект могут дать методики неразрушающего контроля прочности цилиндрических оболочек и сосудов высокого давления из ПКМ, которые позволяї существенно сокраіиіь объем подтверждающих разрушающих испытаний при их і идрооппресовке.
Для обеспечения телекоммуникационного дисіанционноіо ультразвукового контроля коррозийной стойкости и эффективности антикоррозионного покрытия в трубопроводах предложена новая физическая концепция и телекоммуникационная система, позволяющая производить оценку состояния трубных коммуникаций в период их экенлуатции. Сущность концепции заключается в определении непосредственно в трубопроводе параметров распространения упругих ультразвуковых низкочастотных (20-200 кГц) волн Лэмба типа So, Sj, S2...- симметричной и ао, а\, а2...- антисимметричной мод колебаний. Показано, что скорости распространения данных типов волн непосредственно связаны с толщиной стенки трубопровода и его коррозионным состоянием.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Физико-математическая модель процесса возбуждения и распространения упругих волн Лэмба вдоль цилиндрической оболочки из полимерною композиционного материала с резиноподобным покрытием.
Физико-математическая модель процесса рассеяния упругих волн на дефектах типа «непроклей» между слоями плаешка и между пласіиком и резиноподобным покрытием.
Методика телекоммуникационного дистанционного неразрушающего контроля и диагностики коррозионного состояния и протечек трубопроводов.
Телекоммуникационная система диагностики и контроля с использованием волн Лэмба коррозионного состояния и герметичности трубопроводов.
Результаты экспериментальных исследований неразрушающеіо контроля и диагностики прочности полимерных композиционных материалов и цилиндрических оболочек на их основе.
Методика акустоэмиссионного контроля прочности цилиндрических оболочек и емкостей из ПКМ.
Методика временного ультразвукового контроля прочности цилиндрических оболочек и емкостей из ПКМ
Аналитические зависимости ультразвукового контроля прочности цилиндрических оболочек и емкостей из ПКМ по соотношению скоросіей УЗК вдоль структурных направлений ПКМ
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на: Всероссийском научно-практическом семинаре «Опыт использования в промышленное і и неразрушающего контроля качества неметаллических изделий, чугунного литья и композитов», (СПб, декабрь 2007 г.)
VI Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль качества и диагностика материалов, конструкций, промышленных изделий и окружающей среды», (СПб. июнь 2005 г.); 2-й международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» (Могилев, октябрь, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments» (Москва, ноябрь 2006 г.).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 15 научных трудах, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 450 наименований, и содержит 180 страниц основного текс і а, 55 рисунков и 11 таблиц.
Корреляционные методы контроля коррозионного состояния трубопроводов
Надежность и экономичность теплоснабжения городов и промышленных объектов во многом зависит от фактического состояния технического трубопроводов, и, в частности, коррозионного состояния труб.
В регламентирующих документах определены условия допустимости дальнейшей эксплуатации трубопровода или проведния его капитального ремонта. Так в «Инструкции по периодическому техническому освидетельствованию трубопроводов тепловых сетей» [1] указано, что: «при уменьшении сіенки грубы более 20% от исходной, эксплуатация трубопровода должна быть приостановлена и осуществлен расчет на прочность по фактическим значениям толщины». Следует подчеркнуть, что этим самым указывается, что возникновение течей обуславливается действием повышенных напряжений в местах утонения стенки трубы за счет протекания коррозионных процессов.
В большинстве случаев на трубопроводах іешюснабжения исіинная толщина стенки трубы определяется путем заметов при проведении шурфовок Вскрыше теплотрассы осуществляется в местах, где ранее произошли аварии (течи), или действия наибольших напряжений согласно проекту. Однако в этом случае анализируются только отдельные, локальные места на трубопроводе, что не дает достоверной информации об уровне коррозионных повреждений и степени их опасности по всей длине участка.
Получить более полную информацию о юлщине сіенки грубы на всей длине участка можно с использованием внутритрубных снарядов оснащенных ультразвуковыми или магнитоэлектрическими толщиномерами. Проведение этих работ требует вывода участка из эксплуатации со сливом теплоносителя и процесс получения конечной информации является длительным и дорогостоящим. Возможности широкомасштабного использования этого метода ограничены.
С другой стороны, даже при наличии достоверной информации об изменениях толщины стенки трубы по всей длине участка, последующий расчет на прочность осуществляется по проектным параметрам техническою состояния конструктивных элементов трубопровода, таких как скользящие и мертвые опоры, сальниковые компенсаторы и т.н. В процессе зксилуаіации они так же подвержены коррозии и расчетные параметры, например коэффициеш трения, отличаются от принятых в расчете. Это приводит к неточностям в определении фактической степени опасности интервалов коррозионных повреждений на трубах.
Вашему вниманию предлагается, получивший широкое распространение, метод диагностики, позволяющий определить месюположение коррозионных дефектов на участке трубопровода теплоснабжения и оценить уровень их опасности с позиции образования течи.
Сотрудниками Научно-производственного комплекса «Вектор», в рамках Соглашения между Министерством науки России и правительством г. Москвы -«Долгосрочная программа энергосбережение в і. Москве», разрабоїана и внедрена «Система комплексной диагностики трубопроводов тепловых сетей». Разработка носит законченный характер и имеет приборное, программное и методическое обеспечение.
Система предназначена для диагностики коррозионного состояния трубопроводов тепловых сетей подземной канальной и безканальной прокладки диаметром от 80 мм и более, находящихся в эксплуатационном режиме при давлении теплоносителя более 0,3 Мпа и обязательном наличии тока воды. Длина единичного диагностируемого участка от 40 до 200 м, то есть в большинстве случаев работы осуществляются без вскрытия теплотрасс. Точность определения местоположения дефекта + 2,5% от базы постановки датчиков.
Диагностика трубопроводов осуществляется с целью получения данных о: местах, уровне и степени опасности, с позиций образования течи, коррозионных повреждений металла труб - дефектов типа утонение стенки трубы от внутренней и/или наружной коррозии более чем на 30% от наминала; обнаружения места истечения теплоносителя (течи); факторах, обуславливающих интенсификацию коррозионных процессов на участке (блуждающие токи, заиливание и подтопление каналов и др.).
Система диагностики включает комплекс методов инструментального и визуального контроля, основным из которых является авторский способ НПК «Вектор» обнаружения дефектов акустическим методом.
Работа заключается в размещении в точках доступа (тепловая камера, смотровой колодец, подвал дома и т.п.) на трубе, по концам диагностируемого участка, виброакустических датчиков, сигналы от которых записывается на магнитный носитель (рис. 1.3.1).
На основании обработки записей акустических сигналов, распространяющихся по теплоносителю, определяется местоположение коррозионных дефектов и производится оценка степени опасности коррозионного повреждения. Визуальный контроль и инструментальные замеры толщины и электропотенциала в точках доступа (места постановки датчиков) предназначены для дополнения и уточнения ин формации, полученной акустическим методом, а также для выявления причин интенсификации коррозии.
Физический процесс, на котором основывается акустический метод диаі поетики, заключается в следующем. Коррозионный дефект, в виде утонения сіенки трубы, рассматривается как мембрана, которая, в соответствии с фундаментальным решением теории акустики, имеет собственную частоту колебаний f „. По оценке диапазон частот для дефектов линейным размером более 20 мм составляеі о і 500 до 5000 Гц (акустический диапазон).
Силовым фактором, инициирующим вынужденные колебания рассматриваемого элемента, является пульсация давления в воде за счет работы насосов, тока воды и т.п. Эш пульсации представлены набором импульсов, имеющих различную частоту ( f к). Когда частота импульса близка или совпадает с собс і венной частотой дефекта ( fK f0), возникают резонансные колебания дефекта с излучением различных волн (эмиссия), которые распространяются по металлу грубы и воде.
По типу возбуждения данный метод относится к пассивным, то есіь не используются никакие дополнительные устройства для возбуждения колебаний коррозионными дефектами.
Основной задачей разработанною метода являлось, после регистрации в необходимом режиме «шума тока воды по трубе», выделение полезных сигналов эмиссии от коррозионных дефектов на фоне значительных паразитных шумов, чю и было осуществлено.
Для определения местоположения элемента эмиссии (коррозионної о дефекта) используются методы корреляционного анализа, аналогичные для определения местоположения течи в течеискаїелях. Координаїьі дефекіа определяются путем расчета функции взаимной корреляции сигналов ( G,) для каждой точки по длине диагностируемого участка. Численное значение G, является характеристикой знеріии излучателя, расположенного в і-той точке, чю позволяет осущесівить оценку уровня повреждения.
Основным преимуществом разработанного метода и соответствующей аппаратуры является возможность получить информацию не только о местоположении коррозионных дефектов на трубах, но и степени их опасное і и но суперпозиции факторов - утонение стенки трубы и дейсівующих в этом месіє напряжений
Акустические записи, произведенные на диаі ностируемом участке, обрабатываются на персональном компьютере с использованием специально разработанного пакета прикладных программ. На заключительном этапе обработки, информация о дефектах трубопровода представляется на двух графиках, коррелограммах, пример которых дан на рис. 1.3.2.
Рассеяние упругих волн на дефектах типа «непроклей» между слоями пластика и между пластиком и резиноподобным покрытием
Ранее было описано моделирование процесса возбуждения упругих волн и их распространения волн вдоль изогнутой поверхносги. Рассмотрим математическую модель рассеяния волн на дефекіах в многослойном изделии из ПКМ. 2.2.1. Возбуждение пластиночных мод сосредоточенной силой, приложенной к поверхности пластины Задача о возбуждении пластины точечной силой, приложенной к ее поверхности, может быть решена с помощью преобразования Фурье. Однако такое решение весьма громоздко, и, кроме того, содержит не интересующую нас информацию о ближнем поле источника. Очевидно, интерес представляет только поле волновод-ных мод, формирующееся на расстоянии нескольких длин волн (3-4ст) от источника. Найти амплитуду этих волн можно более простыми методами. Ниже мы будем пренебрегать наличием резинового слоя. Кроме того, будем полагать пластину плоской. Введем цилиндрические координаты (г, в, у) (см. рис. 2.2.1). Пусіь в і очке г=0, у=Н/2 на пластину действует точечная внешняя сила амплитудой Р. Формально, распределение давления по поверхности пластины дается выражением в обобщенных функциях: где 5- дельта-функция Дирака.
Пусть и - решение данной задачи динамической теории упругости. Очевидно, на расстоянии, превышающем несколько длин волн, поле можно записать в виде где и" представляет собой поле одной из трех рассмагриваемых пластиночных мод единичной амплигуды, /?/( - константы распространения пластиночных мод, Ф„ - амплитуды возбуждения каждой из трех мод. Нашей целью будет определение величин Фц, Фр и Фс. Воспользуемся теоремой Максвелла- Бетти для динамической іеории упругости. Эта теорема гласит (см. [2]), что для двух произвольных решений и и и , взятых в некотором объеме, ограниченном замкну і ой поверхностью Г, вьпюлняеіся юждество [[и, гу п,-и, (гуп,№=0 (27) где /, j - индексы, обозначающие компоненты соответствующих векторов и тензоров по отношению к пространственным координатам (по повюряющимся индексам предполагается суммирование), п - внешняя нормаль к Г, а и а - тензоры напряжений для решений и и и соответственно. Пусть Г - поверхность, ограничивающая круглый фрагмеш пластины большого радиуса г. В качестве и выберем решение интересующей нас задачи возбуждения.
В качестве и возьмем поле плоской пластиночной волны одного из трех іииов, распространяющейся в отрицательном направлении оси х. Волну будем счиїать имеющей единичную амплитуду в том смысле, который был описан выше. Будем обозначать моду, соответствующую и как и, где V=H, р ИЛИ С. Подставим два данных поля в уравнение (27). Разобьем интеграл на две часі и: на интеграл по верхней и нижней поверхностям пластины и интеграл по срезу (i.e. по боковой поверхности выбранного фрагмента). Рассмотрим первую часть иніе-грала. Очевидно, на поверхностях пластины uIJnj =0 везде, кроме точки г=() на верхней поверхности. По построению, на поверхностях пластины а и; =0. Пользуясь тем, что волна и имеет в точке приложения силы единичное вертикальное смещение, а также тем, что приложенное внешнее давление равно ауу, получаем, что первая часть интеграла дается формулой Перейдем к вычислению второй части интеграла. Эта часть интеграла может быть описана, как двойной интеграл по толщине пластины и углу 9. Прежде всего, выясним, как выглядит интеграл по 9. Поле и, очевидно, не зависит от 9. Поле и зависит от #как где її - медленно меняющаяся по сравнению с экспоненциальным множиіе-лем функция. Быстрые осцилляции экспоненциальною множителя объясняются тем, что значение г выбрано много большим, чем /Г1 В рамках метода стационарной фазы можно при интегрировании ограничиться лишь окрестностями точек, где осцилляции медленные, т.е. окрестноеІЯМИ ючек 9=0, п. Рассмотрим точку 9=0 (позже мы покажем, что вкладом при 0= л: можно пренебречь). Интеграл по 0 вблизи 9=0 может быть оценен как где знаки + и - обозначают смещения и напряжения в плоских волнах, беїу-щих соответственно в положительном и отрицательном направлениях оси х. При суммировании в (29) необходимо учесть, что различные моды в пласшне ортогональны, т.е. соответствующий интеграл не равен нулю только при v=\i. Отсюда становится ясным, почему можно пренебречь вкладом точки 9=л. Действительно, в интеграле, соответсівующем этой точке, члены с положительным и ОфИ-цательным знаками одинаковы, т.е. они компенсируют друг друга. Преобразуем интеграл, стоящий в правой части. Воспользовавшись явными формулами для смещений и напряжений, перепишем еі о в виде І2=-2(2т//Зу)шФіК1 (30) Значения Kv для и=и, р, с могут быть вычислены непосредственно по формулам, выражающим смещения и напряжения через потенциалы. Необходимо только добавить выражение для компоненты ахх через потенциалы: Для наших значений упругих констант численные значения коэффициенюв, посчитанные по Подставляя части /, и /2 в (27), получаем выражения для амплитуд Р Точное описание процесса рассеяния пластиночной моды на трещине представляет собой сложную задачу.
Поэтому для получения разумных оценок необходимо сделать некоторые допущения, позволяющие эгу задачу упростить. Будем считать трещину малой (по сравнению с длиной волны и толщиной пластины), круглой и параллельной поверхностям пластины (см. рис. 2.2.2). Радиус трещины равен а, трещина располагается в плоскости y=d. На поверхностях трещины выполняются условия равенства нулю следующих компонент тензора напряжений: Расположим систему координат таким образом, чтобы ось проходила через центр трещины. Пусть источник располагается на продолжении оси х в сторону отрицательных значений на расстоянии rx . Можно считаїь, что до трещины доходи і поле, равное сумме плоских волноводных волн и" с амплитудами Каждая из падающих волноводных мод рассеивается трещиной. В результате на рассюянии г2 от трещины наблюдается рассеянное поле вида где S n - матрица рассеяния волноводных мод друг в друга на трещине Ниже мы будем искать именно эгу магрицу.
Основы методики диагностики контроля коррозионного состояния трубопроводов с использованием волн Лэмба So и ао -мод
Борьба с коррозией в тепловых сетях - одна из важнейших проблем, решение которой позволит увеличить срок службы теплопроводов, снизить себестоимость досгавки тепловой энергии потребителям, обеспечить безаварийную эксплуатацию трубопроводов и способствовать экономии потребляемою топлива.
Одним из путей, позволяющих если не решить проблему в целом, ю хотя бы уменьшить ее остроту, является переход к созданию системы мониторинга и диагностики теплопроводов с последующим формированием сисіемьі капитального ремота, т.е. переход на систему автоматизированного управления состоянием трубопроводов и технического оборудования.
В этой связи задачи, направленные на создание и внедрение прогрессивных методов и средств диагностики и контроля трубопроводов как в процессе их проектирования, так и в процессе эксплуатации, являются весьма актуальными
В настоящее время разработаны и используются для диагностики состояния трубопроводов целый ряд методов и технических средств контроля, среди которых наибольшее распространение получили ультразвуковые методы.
Реализация больших возможностей ультразвуковых меюдов примениіельно к контролю коррозийного состояния труб составляет задачу разработки методики контроля. Методика контроля коррозийного состояния труб включает в себя следующие вопросы: выбор схемы контроля; метода ультразвукового контроля, типа волн, поверхности, через которую вводят улыразвуковые волны; угла ввода; подготовка изделия к контролю; вьірабоїка гребований к качеству поверхности, разделение крупногабаритных изделий на участки для последовательного контроля; составление рекомендаций по подготовке аппаратуры; проверка, выбор и насгройка частоты, чувствительности; разработка правил поиска коррозийных участков; выбор пути контроля, шага и скорости сканирования (коммутации). оценка результатов контроля; определение, местоположения коррозийных участков, измерение площади, оценка изменения площади во времени.
Методики, базирующиеся на использовании упругих волн в ультразвуковом диапазоне характеризуются строгим теоретическим обоснованием, имеют обширный перечень технических средств контроля, которые эффективно используются в лабораторных и заводских условиях.
Основная схема контроля рассчитана на выявление час і о встречающихся продольных и поперечных дефектов таких, как трещины, риски, закаты, расслоения и т.д. С этой целью труба размещается в ванне с водой и для проверки всеї о металла в процессе контроля обеспечивают вращательное движение трубы, а пьезоэлектрические преобразователи размещаю і внутри и снаружи трубы (теневой метод) или только с одной стороны грубы (эхо-импульсный метод) и обеспечивают их поступательное движение вдоль образующей трубы. Траектория преобразователей в этом случае представляет собой винтовую линию, шаг которой зависит от скорости вращения трубы и скорости движения преобразователей.
Наличие в ванной воды обеспечивает иммерсионный способ введения ультразвуковых колебаний в исследуемый объект. При всей привлекательности описанной методики, использование ее для контроля магистральных трубопроводов, уложенных в землю или находящихся над поверхностью земли, оснащенных антикоррозионной, катодной и тепловой защитой, не предсіавляется возможным по понятным причинам.
В настоящей работе излаїаюіся результаты исследований, направленные на обеспечение диагностики коррозийного сосюяния и целостности магистральных трубопроводов, оснащенных комбинированной іепловой и антикоррозийной защитой.
Основной целью исследований является создание системы аппаратной оценки и обнаружения очагов коррозионної о поражения, оценки интенсивности его развития на протяжении длительного периода времени. Кроме этого, необходимо обеспечить контроль всей цилиндрической поверхносш трубопровода на определенной базовой длине без нарушения целостности нанесенных слоев комплексной защиіьі.
Для обеспечения ультразвукового контроля коррозийной стойкое і и и эффективности антикоррозионного покрытия в трубопроводах была предложена новая физическая концепция, позволяющая производить оценку состояния трубных коммуникаций в период их эксплуатации.
Сущность концепции заключается в том, что раздельно-совмещенные пьезоэлектрические преобразователи устанавливаются дискретно на поверхносш металлической трубы и закрепляются как конструктивные элементы в заводских условиях. После чего на поверхность наносится антикоррозионное покрытие, формируется воздушный слой, слой тепловой изоляции и оптические экраны [8].
На основе предложенной физической концепции, злектронної о сканирования с использованием волн Лэмба, раздельно-совмещенных пьезоэлектрических преобразователей, аппаратурного решения, обеспечивающего измерение информативных физических величин, телекоммуникационная диагностическая система для контроля коррозионной стойкости и герметичности теплопроводов может быть представлена в виде, изображенном на рис. 3.3.1.
Телекоммуникационная система содержит: 1-электрическая цепь пьезсплек-трических излучателей; 2 - электрическая цепь пьезоэлектрических приемников, 3 - раздельно-совмещенные пьезоэлектрические преобразователи; 4 - электрический разъем (тройник); 5 -диагностический приборный центр, который содержит 6 - блок телемеханики; 7 - емкостной коммутатор пьезоэлектрических излучателей; 8 - усилитель мощносш; 9 - генератор непрерывных синусоидальных электрических сигналов; 10-электрический коммутатор пьезоэлектрических приемников; 11 - усилиіель электрического напряжения; 13 - комньюіер; 14 - мониюр, 15 - приніер. Позицией 12 показан высокочастотный двухканальный АЦП, а позицией ТР - трубопровод.
Информация о состоянии тепловой сети может бьпь передана по .электронной почте и по каналу телевидения. Телекоммуникационная диагностическая система может работать как в автономном режиме, так и в режиме автоматического управления, способна регистрировать акустические сигналы от пьезоэлектрических излучателей, работающих в непрерывном и импульсном режимах, а также акустические сигналы, возникающие при аварийных ситуациях - акустическую эмиссию.
Раздельно-совмещенные пьезоэлектрические преобразователи устанавливаются по винтовой линии вдоль трубы. Электрические кабели от каждого излучаїе-ля и приемника укладываются в виде жгута в воздушном слое, расположенном между слоями тепловой защиты и аншкоррозионной защиты (рис 3 3 2). На рис. 3.3.2 показаны только те пьезоэлектрические преобразователи, которые будучи расположенные по винтовой линии, оказываются на значительных расстояниях расположенными по образующей трубы. При использовании в схеме контроля корродированных и не корродированных участков трубных коммуникаций волн Лэмба S0 - моды и а 0 - моды оцениваются: изменение толщины стенки трубы вследствие коррозии; изменении фазовой скорости распространения симметричной волны Лэмба S0 - моды и изгибной волны и а0 - моды, которые в корродированном трубопроводе уменьшаются (время увеличивав і ся) за счет изменения физико-механических характеристик металла. Для измерения толщины стенки металлического трубопровода строятся дисперсионные кривые с использованием фазовой скорости і9рь, вычисленные на основе определения длины волны Я для различных частот f. Переключая коммутатором пьезоприемники, измеряю і изменение фазы ОС принятого сигнала по мере «удаления» пьезоприемников ог излучателя Рассчиїьі вают длину волны Я из уравнения: где XgCC - Д-с/ ДА; Д-с - приращение расстояния между излучателем и приемниками, АЛ - приращение длины волны (смещение фазы). Изменение фазы СС принятого сигнала измеряют на разных частотах; например,: 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120 кГц. При известной длине волны Я и частоте/рассчитывают фазовую скорое і ь i9Ph для указанных частот из уравнения : Строят дисперсионную кривую на не корродированном участке в координаїах i9ph =/[Я/И), где Н -толщина стенки трубопровода. Рассчитывают фазовую скорость і9рь на фиксированной частоте/ например равной 100 кГц. Строят дисперсионную кривую для S0 - моды и и а 0 - моды волны Лэмба в координатах Зф =/(), їж - переменное расстояние от излучателя к приемнику. При/= ЮОкГц = const и толщине стенки трубы Н = const фазовая скорость i9Ph будет представлять прямую линию параллельную оси . Локальные oi-клонения от прямой линии несут информацию о наличии коррозии на о і дельных участках трубы.
Основы методики определения пространственно временных характеристик акустоэмиссионных источников
Большинство созданных и используемых человеком технических объектов подвержено силовому воздействию, под действием которого в материалах нроіе-кают различные деструктивные процессы, приводящие к потере способности выполнять заданные функции. Одним из таких процессов является процесс механического разрушения, завершающийся образованием трещины, ее развиїием и поіе-рей прочности.
В настоящее время стандартный прочностной расчет изделий базируеіся на представлениях механики деформированного твёрдою тела и сводится к обеспечению достаточного запаса прочности. Такой подход оправдывает себя на этане проектирования, конструирования и контроля прочности объектов и изделии крупно серийного производства, работающих с большим запасом прочности. Однако он не всегда эффективен после изготовления или ремонта, в процессе эксплуатации, применительно к сложным или уникальным объектам, параметры состояния и условия работы которых не всегда известны и сложно воспроизводятся в лабораторных условиях В первую очередь это относится к изделиям из композитных материалов, строительным конструкциям, элементам АЭС и химических заводов, водным судам, объектам авиационной и космической техники, сосудам давления, глубоким подземным сооружениям. Оценка состояния здесь должна вестись индивидуально и сводится либо к прогнозированию момента разрушения объекта, либо к установлению верояїносги безотказной работы путём определения значений связанных с ресурсом показателей прочности.
При разработке методов такой оценки наиболее перспективным является физический подход, позволяющий производить постановку необходимых задач исследований, обосновано подходить к интерпретации результатов экспериментов, исследовать влияние на разрушение различных физико-химических процессов взаимодействия частей объекта друг с другом и с окружающей средой. В данной рабоїе излагается один из таких подходов, опирающийся на положения кинешче-ской концепции прочности и использование явления акустической эмиссии.
Актуальность и сложность данной проблемы обусловили множественность подходов к её решению. Первые количесівенные исследования прочности твердых тел послужили основой появления феноменологических представлений и формулировки силовых критериев работоспособности объекта, определяемых соотношением характеристик поля его механических напряжений и некоторого предельно допустимого прочностного показателя материала (предела прочности, предела пропорциональности, іекучесіи и др.). Развитие представлений о прочности привело к пониманию необходимости учета структурною строения тела и наличия в нем различных несплошностей, что стимулировало развиїие экспериментальных методов выявления дефектов и оценки степени их влияния на прочность. Методологической основой такой оценки стало развитое Гриффитсом понятие о концентрации напряжений вблизи несплошносги, а также сформулированная им іипотеза обязательного наличия дефекта в материале, сіавшие базой созданного в последствии учения о прочности - механики разрушения. В рамках зюі о учения состояние материала или конструкции определяется уже величиной концентрации напряжений, характеризуемой либо однопараметрическим критерием (коэффициентом интесивности напряжений, J-интегралом, раскрытием у вершины трещины и др.), либо параметрами кинетических диаграмм усталое і ного разрушения, диаграмм циклической трещиностойкости. Дальнейшее развитие исследований привело к пониманию о многостадийное процесса разрушения и о существовании длительной стадии подготовки распространения трещины, заключающейся в микроскопических структурных превращениях (движении дислокаций, росте повреждаемости и др.). Для оценки прочности материалов предлагались характеристики зі их превращений, различные показатели структуры материала. Принципиально, что наряду с механическими напряжениями, в качестве основного фактора разрушения здесь уже принимается фактор времени.
Систематические исследования процесса разрушения, начатые в 50-х годах в лаборатории физики прочности Физико-техническою института им. А.Ф.Иоффе РАН под руководством акад. РАН Журкова С.Н. привели к усіановлению взаимосвязи между временем х до разрушения образца и значением а одноосно расіяги-вающего напряжения, действующим при температуре Т где т0 - величина порядка Дебаевского периода атомных колебаний, равна 10"12-10"14с, U0 - энергия активации процесса разрушения, у - структурно-чувствительный параметр, К - постоянная Больцмана.
Соотношение (4.7), называемое формулой Журкова, было проверено более чем на 100 самых различных материалах: металлах и сплавах, галоидных и полупроводниковых кристаллах, стеклах, полимерах, композитах, горных породах. Изучение столь широкого круга материалов, обладающих различным характером межатомных связей, надатомной и дефектной структур, показало универсальность характера зависимости (4.7). Выяснено, что величины Uo и То являются сравнительно консервативными и не зависят от структуры маїериала. Величине же у свойственен динамизм, и все многообразие изменений прочностных свойств однозначно описывается поведением этого коэффициента. Установлено, что его величина в большинстве случаев является надежной характеристикой прочностных свойств материала, зная которую можно определить его долговечность при любом режиме нагружения и виде напряженного состояния.
Согласно представлениям кинетической теории, прочности в основе разрушения лежит переход системы атомных или молекулярных связей через некоторый энергетический барьер Uo, снижаемый приложенным к телу напряжением и преодолеваемый посредством тепловой флуктуации. Время ожидания тепловых разрушающих флуктуации задается формулой (4.7) и определяет долговечность тела. Результатами осуществления термофлуктуационных переходов являются элементарные разрывы сплошности (микротрещины), причем характер накопления их количества подчиняется определенным закономерностям, и имеет две типичные стадии : делокализованної о накопления, спонтанно приводящего к укрупнению трещин, и сравнительно быстрою роста укрупненных трещин в поле создаваемых ими перенапряжений. Смена стадий осуществляется в момент времени т при критической концентрации микротрещин С , когда среднее расстояние между ними примерно в три раза превосходит их собственный размер, а из общею количества структурных элементов разрушается каждый сотый. Время до разрушения нагруженного тела складывается из длительности обеих стадий, причем длительность первой стадии существенно превышает длительность второй. При этом прогнозирование времени до разрушения становится возможным по результатам наблюдения за кинетикой роста концентрации микротрещин и оценки степени ее приближения к критическому значению.
