Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Внедрение в систему трубопроводного транспорта трубопроводов из альтернативныхматериалов 13
1.1. Основные типы неметаллических коррозионно-стойких труб, применяемых в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» 14
1.2. Особенности труб из альтернативных материалов, обусловленные природой полимерных материалов 15
1.3. Статистика отказов работы трубопроводов из альтернативных материалов на объектах добычи и транспортировки нефти и газа ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь»за 2009–2015 гг. 19
1.4. Проблема оценки технического состояния и остаточного ресурса работы трубопроводов из альтернативных материалов 24
1.5. Методы контроля технического состояния трубопроводов 25
1.6. Испытание образцов трубопроводов из альтернативных материалов на динамическое нагружение 33
1.7. Проведение испытаний образцов трубопроводов из альтернативных материалов на прочность при импульсномдинамическом нагружении, имитирующем гидроудар 35
1.8. Проведение испытаний образцов трубопроводов из альтернативных материалов на прочность при циклическом динамическом нагружении 41
Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2. Математическая модель работоспособности труб, выполненных из альтернативных материалов 43
2.1. Физическая модель работоспособности трубопроводов
из полимерных армированных труб 43
2.2. Декомпозиция задачи оценки несущей способности ПАТ 44
2.3. Математическая постановка задачи 45
2.4. Моделирование в SolidWorks 50
2.5. Моделирование в PhotoView 360 51
2.6. Моделирование в SolidWorks Simulation 51
2.7. Моделирование в SolidWorks Flow Simulation 54
2.8. Моделирование в Ansys 56
Выводы по главе 2 60
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования трубопроводов из альтернативных материалов с построением амплитудно-частотных характеристик 61
3.1. Лабораторные исследования 61
3.2. Исследования в полевых условиях 67
3.3. Измерение амплитудно-частотных характеристик на трубопроводе из альтернативных материалов при давлении внутри 0,05 МПа 69
3.4. Измерение амплитудно-частотных характеристик на трубопроводе из альтернативных материалов при давлении внутри от 0,5 до 4,0 МПа 71
3.5. Исследование изменения частотных характеристик труб ТСК и ПАТ при различных видах нагрузок 85
3.6. Влияние импульсной (ударной) нагрузки 86
3.7. Исследование амплитудно-частотных характеристик трубы при ее изгибе 91
Выводы по главе 3 96
ГЛАВА 4. Методика диагностирования и оценки остаточного ресурса трубопроводов из альтернативных материалов 97
4.1. Обоснование необходимости создания методики 97
4.2. Термины и определения 98
4.3. Основные положения 100
4.4. Оперативная диагностика трубопроводов 102
4.5. Комплексное обследование трубопроводов с помощью волнового метода неразрушающего контроля 108
4.6. Порядок проведения измерений амплитудно-частотных характеристик трубопровода и их анализ 115
4.7. Заключение экспертизы промышленной безопасности 119
4.8. Техника безопасности 121
4.9. Процедурная модель прогнозирования и ее реализация 122
Выводы по 4 главе 128
Заключение 129
Список литературы
- Испытание образцов трубопроводов из альтернативных материалов на динамическое нагружение
- Декомпозиция задачи оценки несущей способности ПАТ
- Измерение амплитудно-частотных характеристик на трубопроводе из альтернативных материалов при давлении внутри 0,05 МПа
- Основные положения
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие трубопроводного транспорта начиная с 80-х годов XX-века связано с применением нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов, изготовленных из полимерно-армированных (ПАТ) и стеклопластиковых композиционных труб (ТСК). Основные их преимущества в сравнении с металлическими трубами являются более низкие затраты на обслуживание в процессе эксплуатации, так как не требуется использования антикоррозионной защиты и специальной химической обработки. На данный момент, протяженность нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов (ПАТ и ТСК) в России, находящихся в ведении эксплуатирующих организаций, превышает 35 млн. км. Что требует решения задачи определения технического состояния линейной части трубопровода и трубопроводных конструкций с оценкой их остаточного ресурса. В настоящий момент не существует способа оценки технического состояния линейной части нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов (ПАТ и ТСК) без его остановки, а применение существующих методик для металлических трубопроводов невозможно ввиду значительных отличий в свойствах материалов.
С начала ввода в эксплуатацию значительной части трубопроводов из альтернативных материалов в Пермском крае прошло 20–25 лет, что является предельным сроком эксплуатации, так как производители указанных трубопроводов гарантируют безотказную работу элементов трубопроводов при соблюдении соответствующих технологических параметров перекачки газожидкостных сред в течение 25 лет. Поэтому в ближайшее время проблема оценки остаточного ресурса линейной части трубопроводов из альтернативных материалов (ПАТ и ТСК) станет актуальной для эксплуатирующих организаций. В случае продления срока эксплуатации исследованного трубопровода возникнет потребность в установлении точных временных интервалов использования с оценкой остаточного ресурса линейной части трубопровода и трубопроводных конструкций.
До настоящего времени остаточный ресурс линейной части нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов (ПАТ и ТСК) оценивали с помощью численного моделирования либо экспериментально, путем изъятия отрезка трубопровода и его дальнейшего разрушения. Поведение трубопроводов в процессе эксплуатации недостаточно изучено, поэтому сложно прогнозировать их работоспособ-
4 ность при воздействии динамических нагрузок, т.е. при условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации. Это приводит к большому количеству отказов. Следовательно, разработка методики оценки остаточного ресурса нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов (ПАТ и ТСК) является актуальной задачей, стоящей перед эксплуатирующими организациями и Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор).
Тематика диссертации соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ и Перечню критических технологий РФ, в соответствии с указом Президента Российской Федерации N 899 от 7 июля 2011 года.
Степень изученности проблемы. Теоретической основой исследования являются работы в области неразрушающего контроля и оценки технического состояния систем трубопроводного транспорта следующих ученых: И.А. Потапов, Г.А. Расторгуев, В.П. Жуков, М.Н. Булгакова, Б.И. Завойчинский, А. М. Шаммазов, Б.Н. Мастобаев, в том числе зарубежных (F. Dong, L.-D. Fang, H.-L. Li, Y. Zhu, D.-D. Zheng, J.-L. Zhang,S.-S. Zhao, H.-X. Wang, Z.-Q. Cui) и др.
Цель диссертационной работы – разработка комплексной, научно обоснованной методики оценки технического состояния линейной части нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов (ПАТ и ТСК) с учетом условий их эксплуатации.
Основные задачи диссертационной работы:
-
Результаты анализа факторов, определяющих работоспособное состояние линейной части нефтесборных трубопроводов, выполненных из полимерно-армированных труб и стеклопластиковых труб (ПАТ- и ТСК-трубопроводов), на основе причин порывов (отказов) трубопроводов, находящихся в эксплуатации в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».
-
Формирование базы технических характеристик, влияющих на работоспособное состояние линейной части ПАТ- и ТСК-трубопроводов (алгоритм технической диагностики, структура внешнего и внутреннего нагружения трубопровода, изменение физико-механических свойств, накопление повреждений).
-
Формирование критериев оценки технического состояния линейной части нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов в программных модулях для прогнозирования их работоспособности и остаточного ресурса. Разработка алго-
5 ритмов по оценке технического состояния и остаточного ресурса ПАТи ТСК-трубопроводов.
4. Разработка методики оценки технического состояния и остаточного ресурса трубопровода из альтернативных материалов.
Объект исследования – линейная часть нефтесборных трубопроводов из полимерно-армированных и стеклопластиковых материалов (альтернативных).
Предмет исследования – техническое состояние и остаточный ресурс трубопроводных конструкций и их линейной части, выполненной из полимерно-армированных и стеклопластиковых материалов.
Теоретической и методологической основой послужили отечественные и зарубежные исследования в области неразрушающего контроля, диагностики и оптимизации рабочих параметров технологического процесса перекачки газожидкостных сред, кроме того, были учтены методология и опыт проведения аналогичных работ на металлических трубопроводах.
Информационную базу диссертационной работы составляют результаты исследований ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», посвященные работе неметаллических трубопроводов, монографии, публикации в периодической печати, материалы научно-практических конференций, информационные ресурсы сети Интернет, сведения, приведенные в технических условиях, отчетах, справках, результатах испытаний образцов труб и др.
Научная новизна:
– представлен подход к оценке технического состояния функционирующих нефтесборных трубопроводов с помощью волнового метода неразрушающего контроля; получены новые результаты, связанные с анализом формирования волновых полей в трубопроводах из альтернативных материалов при оценке их технического состояния;
– использован комплекс обработки изменения волновых характеристик виброакустической волны для оценки фактического состояния линейной части трубопроводов из альтернативных материалов;
– сформулированы условия изменения технического состояния линейной части ПАТ- и ТСК-трубопроводов по результатам технической диагностики;
– разработана методика оценки работоспособности и расчета остаточного ресурса для ПАТ- и ТСК-трубопроводов.
6 Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке и
применении методики оценки остаточного ресурса линейной части трубопроводов из
альтернативных материалов и трубопроводных конструкций, которая позволяет:
– предсказать срок дальнейшей эксплуатации исследуемого участка линейной части трубопровода;
– снизить риск возникновения порывов на действующих трубопроводах;
– сократить затраты на проведение ремонтных работ, диагностику технического состояния линейной части трубопроводов и трубопроводных конструкций.
Разработанная методика оценки остаточного ресурса труб, выполненных из полимерных материалов, внедрена в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ». Ее внедрение позволило повысить эффективность эксплуатации трубопроводного транспорта при одновременном улучшении технологичности его диагностирования, а также позволило сформировать структурный подход к оценке работоспособности труб, выполненных из альтернативных материалов.
Рекомендации, полученные в результате применения разработанной методики, внедрены в практику производственной деятельности ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», что подтверждено Актом о внедрении методики оценки остаточной работоспособности труб, выполненных из полимерных материалов.
Материалы диссертационного исследования используются при преподавании дисциплины «Вибродиагностика» на кафедре «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» аэрокосмического факультета Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Положения, выносимые на защиту:
-
Структурный анализ причинно-следственных связей в отказах (нарушении работоспособности) линейной части трубопроводов из альтернативных материалов и трубопроводных конструкций. Экспериментально установленная зависимость отказов трубопроводов во временной последовательности их эксплуатации, по группам ПАТ 95-225, ТСК 75-190 на предприятии ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».
-
Влияние изменений в техническом состоянии трубопровода от величины изменения собственных (парциальных) частот трубы и ее конструктивных элементов. Экспериментальная зависимость полученного диапазона изменения частот, от дефектности трубопровода.
3. Результаты исследований технического состояния трубопроводов
из альтернативных материалов. Анализ изменения технического состояния трубопровода (связанный с накоплением повреждений) с изменением интегрального коэффициента.
4. Алгоритм методики оценки технического состояния и остаточного ресурса
трубопроводов, выполненных из альтернативных материалов.
Достоверность и обоснованность результатов. Работа построена на известных проверяемых данных и согласуется с опубликованными исследованиями по теме диссертации и по смежным областям. Базируется на анализе теоретических моделей, разработанных на основе исследования практической деятельности предприятий, занимающихся эксплуатацией трубопроводов из полимерно-армированных материалов. В результате исследования установлено количественное совпадение результатов, полученных с помощью аналитических, экспериментальных и численных методов. Использованы современные методики сбора и обработки информации, основанные на методах теории вероятности и математической статистики. Работа базируется на тщательно проведенных экспериментальных исследованиях, полученные результаты позволили разработать методику оценки работоспособности труб с помощью метода волнового контроля.
Апробация диссертации. Основные положения и результаты работы были представлены автором на международных научно-практических конференциях: «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», Пермь, 2010; «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе», Пермь, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016; «Прогрессивные технологии в транспортных системах», Оренбург, 2015; «Севергеоэкотех», Ухта, 2016; «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2016; научно-технических семинарах кафедры РКТЭС ПНИПУ, кафедры АТМ ПНИПУ.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликованы 6 статей, из них 3 – в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации по специальности 25.00.19 – «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» (технические науки).
8 Структура диссертации. Работа изложена на 140 листах, состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, библиографического списка, включающего 86 наименований, содержит 101 иллюстрацию и 17 таблиц.
Испытание образцов трубопроводов из альтернативных материалов на динамическое нагружение
Для решения проблемы оценки технического состояния существуют различные методы [22, 23]. Все методы можно разделить на 2 группы: методы разрушающего контроля [70] и испытания образцов – свидетелей труб и методы не-разрушающего контроля [34, 36], наибольшее распространение из которых получили акустические методы [67].
Акустические методы [47, 48] в свою очередь делят на две большие группы: использующие излучение и прием акустических колебаний и волн (активные методы) и основанные только на приеме колебаний и волн (пассивные методы). В каждой из этих групп выделяют методы, основанные на возникновении в объекте контроля бегущих и стоячих волн или колебаний. Классификация акустических методов контроля приведена на рисунке 1.23 [13].
Активные акустические методы, в которых применяют бегущие волны, делят на подгруппы, использующие прохождение, отражение волн и комбинированные методы, в которых применяют отражение и прохождение. Методы прохождения предполагают наличие двух преобразователей — излучающего и приемного, расположенных по разные стороны объекта контроля или контролируемого участка. Применяют как импульсное, так и, реже, непрерывное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии (ГОСТ 18353-79): – амплитудный (теневой) метод, основанный на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей волны (сквозного сигнала) под влиянием дефекта; – временной теневой метод, базирующийся на измерении запаздывания импульсов, вызванного огибанием дефекта [18]; – велосимметрический метод, основанный на анализе изменения скорости упругих волн, связанного с наличием дефекта. Например, если в тонком изделии распространяется изгибная волна, то появление расслоения снижает ее скорость (мода с малой скоростью показана штриховой линией); это снижение определяют по сдвигу фазы прошедшей волны.
Пассивные методы
Переходя к пассивным акустическим методам контроля, отметим акустико-эмиссионный метод, при котором используют бегущие волны. Этот метод основан на анализе параметров упругих волн акустической эмиссии, возникающих в результате динамической локальной перестройки объекта контроля. Такие явления, как возникновение и рост трещин, аллотропические превращения, движение скоплений дислокаций, – наиболее характерные источники волн акустической эмиссии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи, принимающие упругие волны, позволяют установить наличие источника эмиссии, а при обработке сигналов от нескольких преобразователей – и расположение источника.
К пассивным акустическим методам, основанным на возбуждении стоячих волн или колебаний объекта контроля, относятся вибрационно-диагностический и шумодиагностический методы. При использовании первого метода анализируют параметры вибрации какой-либо отдельной детали или узла (ротора, подшипника, лопатки турбины) с помощью приемников контактного типа; при использовании второго изучают спектр шумов работающего механизма на слух или с помощью микрофонных приемников. Волновой метод Суть метода заключается в анализе прохождения волны (в широком диапазоне частот) по конструкции трубопровода. Оценкой дефектности трубопровода являются условия прохождения волны в зоне дефекта (потери, рассеивание, интерференция, дифракция), т.е. изменение спектров амплитудно-частотных характеристик трубопровода на исследуемом участке (рисунки 1.24, 1.25).
Теоретические аспекты Для качественной оценки прохождения волны между первой и второй группой датчиков необходимо использовать и анализировать сигнал и его основные характеристики: затухание, спектр, смещение (частотное и амплитудное), фазовые характеристики (дифракция и интерференция) [14]. При этом анализировать ха 28 рактеристики необходимо одномоментно. Одномоментный анализ позволяет предположить и выявить действительные закономерности и отклонения от закономерностей, что в переходе от общего к частному случаю позволит дать оценку прохождения волн между группами датчиков. Прямым параметром, кроме указанных выше, является коэффициент затухания (или коэффициент демпфирования). Коэффициент демпфирования – это отношение амплитуды измеряемого параметра в соответствующей частоте к действительному значению амплитуды, который мог бы появиться в данном случае при определенных условиях. Зачастую за действительное или оптимальное значение принимается значение, полученное при ударе вблизи датчика, проводящего прямое измерение.
Затухание сигнала – это величина, характеризующая потери амплитуды, под затуханием понимается ослабление сигнала вследствие уменьшения его мощности. Любая среда передачи сигнала вызывает его затухание. На рисунке 1.26 представлен затухающий сигнал по виброускорению, зафиксированный после механического воздействия вблизи датчика.
Спектр – это изменение значений физической величины (в волновом методе это виброускорение, виброскорость и виброперемещение) в зависимости от частоты. По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть дискретными (линейчатыми), непрерывными (сплошными), а также представлять комбинацию (наложение) дискретных и непрерывных спектров.
Спектр виброскорости (а) и виброперемещения (б) Смещение частоты в спектре. Смещение частоты в спектре связано с накоплением энергии и выходом на частоту, являющуюся соответствующей модой колебания (рисунок 1.29). Смещение частоты в спектре зависит от физико-механических свойств и неоднородности материала, чем выше неоднородность материала, тем выше будет смещение частоты в составляющей спектра. Природа возникновения смещения составляющей частоты в спектре схожа с природой составляющей размытия частоты, только разница заключается в амплитуде исследуемого параметра. Таким образом, смещение частоты – это возникновение двух схожих по амплитуде параметров на околоисследуемой частоте, а размытие – это возникновение тех же амплитуд на том же самом интервале частот, только без значительного изменения амплитуды исследуемого параметра (рисунок 1.30).
Декомпозиция задачи оценки несущей способности ПАТ
Для теоретического исследования и априорной оценки несущей способности полимерных армированных труб с учетом скорости приложения нагрузки разработана комплексная математическая модель [40]. Цели моделирования [64]: 1) оценка работоспособности ПАТ при различных условиях эксплуатации; 2) получение полей распределения напряжений и деформаций в теле трубы заданной пространственной конфигурации при различных нагрузках; 3) определение предельных несущих нагрузок для ПАТ различных типоразмеров; 4) определение оптимальных входных параметров модели для получения конструкции, обладающей необходимыми прочностными свойствами, наиболее дешевой и долговечной; 5) оценка влияния некоторых входных параметров модели, являющихся неоп ределенными, на НДС ПАТ и, соответственно, на несущую способность конструкции.
В процессе технологического цикла изготовления и эксплуатации трубопроводов из ПАТ в них могут возникать нагрузки различного характера. Наиболее характерными являются нагрузки, связанные с технологическими режимами работы трубопровода (согласно паспорту трубопровода). В первую очередь к ним относится расчетная квазистатическая рабочая нагрузка конкретного трубопровода. Во-вторых, в зависимости от применяемых насосов, задвижек в каждом трубопроводе могут возникать динамические нагрузки в виде импульсных (работа насоса на закрытую задвижку), осциллирующих (в виде колебательных процессов движения жидкости в трубопроводе) и собственных колебаний жидкости на участке между запорными элементами. Кроме того, реальные нагрузки в трубопроводах очень часто носят ударно-волновой характер, связанный с пуском – оста 44 новкой насосов (особенно при использовании поршневых насосов), условиями сбора нефти от скважин в сборный трубопровод, установлением колебательных процессов за счет дросселирования на запорной арматуре.
Конструктивно ПАТ состоят из материалов, физико-механические свойства которых отличаются на порядки. Основным несущим элементом в конструкции трубы при низких скоростях приложения нагрузки является металлический каркас [10]. Однако характерно, что с увеличением скорости приложения нагрузки величина предельной деформации полиэтилена становится ниже, чем у стали, т.е. наблюдается хрупкое разрушение стыковых соединений конструктивных элементов трубопроводов, где отсутствует стальной армирующий каркас (возрастает модуль упругости). В конструкции трубопроводов из ПАТ наиболее чувствительным к изменению скоростных параметров воздействия нагрузки элементом является область законцовки в силу того, что здесь отсутствует стальной армирующий каркас.
На основе проведенных экспериментальных исследований, в зависимости от характера разрушения труб ПАТ, встречающихся при их эксплуатации и при лабораторных испытаниях, предложена декомпозиция задачи комплексной оценки несущей способности с выявлением трех основных подзадач [64]: 1) задача анализа кратковременной прочности конструктивных элементов труб ПАТ при пиковых значениях нагрузок, т.е. в условиях квазистатического приложения нагрузки – появление осевых трещин вследствие разрушения арми рующего каркаса в области сварного соединения (в связи с максимальным объе мом отказов в работе трубопровода по превышению давления данная задача явля ется наиболее актуальной); 2) задача анализа ударного разрушения стыковых соединений конструктивных элементов ПАТ при высоких скоростях приложения нагрузки – задача динамической теории упругости; 3) задача длительной прочности ПАТ – описание вязко-упруго-пластического течения полимера через ячейки армирующего каркаса ПАТ при длительной эксплуатации в составе трубопроводов. 2.3. Математическая постановка задачи
В данном случае поведение полимерного цилиндрического элемента закон-цовки описывается системой уравнений теории упругости в динамической постановке с учетом скорости воздействия и условий нагружения тела трубы. Рассматривается тело законцовки, нагруженное импульсным или переменным периодическим внутренним давлением в соответствии с выделенными основными схемами нагружения 1–4 (рисунок 2.1). На торцах задаются кинематические граничные условия: на одном условия симметрии, на другом перемещения, определяемые по перемещениям в стенке конструктивного элемента армированной трубы при фиксированной величине приложенного давления (из решения задачи кратковременной прочности конструктивного элемента ПАТ) [40, 64].
Измерение амплитудно-частотных характеристик на трубопроводе из альтернативных материалов при давлении внутри 0,05 МПа
При строительстве и эксплуатации трубопроводов его конструктивные элементы испытывают различные виды нагрузок: изгиб, удар (импульсная нагрузка), динамическое и статическое давление и т.д. Кроме того, в процессе эксплуатации трубопроводов в зависимости от времени их эксплуатации, изменяющихся внешних факторов (температура окружающей среды, влажность, солнечная радиация и т.д.) материал трубопроводов претерпевает различные изменения, что приводит к снижению его прочностных свойств. Поэтому в данном разделе рассмотрены экспериментальные исследования, связанные с наиболее часто встречающимися видами нагрузок: импульсная (ударная) внешняя нагрузка, изгиб трубы, предельная несущая нагрузка от внутреннего давления, влияние временного фактора. Влияние данных нагрузок исследовано с целью получения данных по влиянию на изменение собственных частотных характеристик тела трубы, поскольку частотная характеристика любого конструктивного элемента является его «портретом» состояния, позволяющим проводить техническую диагностику его работоспособности и определять остаточный ресурс.
Данные исследования позволяют дать количественную оценку, которую можно использовать при анализе технического состояния трубопроводов. Для этого необходимо непосредственное измерение частотных характеристик трубопроводов на всем их жизненном цикле (строительстве и эксплуатации). Это позволит отработать методики контроля технического состояния любого трубопровода по его виброакустическим характеристикам. Тем не менее данные исследования на образцах очень важны, поскольку позволяют построить характерные зависимости по влиянию определенных видов нагрузки на характер изменения частотных характеристик образцов, следовательно, получить пределы изменения частотного диапазона собственных характеристик материала трубы с целью возможного прогнозирования работоспособности трубопроводов. Такой подход позволит существенно снизить материальные и временные затраты при отработке методики технической диагностики трубопроводов по определению их работоспособности и остаточного ресурса.
При воздействии на конструкцию импульсной (ударной) нагрузки в теле материала возможно появление изменений в структуре (микротрещины, расслоения и т.п.), что приведет к изменению условий прохождения виброакустических волн. Изменение волновой проводимости будет связано с частотной перестройкой колебательного процесса в теле конструкции. Факт изменения в частотном диапа 87 зоне может быть зарегистрирован при проведении модального анализа этой конструкции. С этой целью были проведены виброакустические исследования с помощью 8-канального измерительного прибора «Камертон» четырех образцов труб из альтернативных материалов, как в процессе ударного воздействия, так и в процессе нагружения их внутренним давлением до значения расчетной рабочей нагрузки. Испытания проводились при комнатной температуре. Порядок проведения вибродиагностики при испытаниях на удар соответствовал методике, используемой для контроля качества сварных соединений ПАТ. В соответствии с планом проведения исследований вибродиагностическому анализу подвергались при испытаниях на удар следующие образцы труб из альтернативных материалов.
Образец № 14 трубы ТСК 130-4,0 (40) КН 961.00.00.000. Испытания на удар проводились по варианту 1 с энергией удара 1,5 Нм (боёк - стальной шар весом 0,5 кг, удар с высоты 300 мм). Образец трубы предварительно заполнен водой температурой 16 С. Схема испытаний соответствует рекомендуемым испытаниям стеклопластиковых труб по спецификации API15LR. Визуальный осмотр поверхности образца в процессе испытаний показал отсутствие следов повреждений и трещин после ударов. Образцы № 10 трубы ПАТ 3П95.09.00.000 (ТУ 2248-005-54112551-04). Ду = 140 мм на рабочее давление 4 МПа. Испытания на удар проводились по варианту 1 с энергией удара 1,5 Нм (боёк - стальной шар весом 0,5 кг, удар с высоты 300 мм). Образец трубы предварительно заполнен водой температурой 16 С. Схема испытаний соответствует рекомендуемым испытаниям стеклопластиковых труб по спецификации API15LR. Визуальный осмотр поверхности образца в процессе испытаний показал отсутствие следов повреждений и трещин после ударов.
Образцы № 11 трубы ПАТ 3П95.09.00.000 (ТУ 2248-005-54112551-04), Ду = 140 мм на рабочее давление 4 МПа. Испытания на удар проводились по варианту 2 с энергией удара 6,0 Нм (боёк - стальной шар весом 0,5 кг, удар с высоты 1200 мм). Образец трубы водой не заполнялся. Схема испытаний соответствует возможным (случайным) ударам при засыпке грунтом трубопровода в процессе его монтажа при подземной прокладке в зимний период, с глубиной залегания трубопровода ориентировочно 1 м, высота бруствера траншей ориентировочно 200-300 мм. Визуальный осмотр наружной поверхности образца в процессе испытания показал отсутствие следов повреждений и трещин после ударов.
Образец № 2 трубы ТГ 110-В (ТУ 2248-001-550038886-01) Ду = 110 мм на рабочее давление 4 МПа. Испытания на удар проводились по варианту 2 с энергией удара 6,0 Нм (боёк стальной шар весом 0,5 кг, удар с высоты 1200 мм). Образец трубы водой не заполнялся. Схема испытаний соответствует возможным (случайным) ударам при засыпке грунтом трубопровода в процессе его монтажа при подземной прокладке в зимний период с глубиной залегания трубопровода ориентировочно 1 м, высота бруствера траншей ориентировочно 200–300 мм. Визуальный осмотр наружной поверхности образца в процессе испытания показал отсутствие следов повреждений и трещин после ударов разрушения, полностью соответствует результатам предыдущих испытаний.
Основные положения
На исследуемый участок трубопровода устанавливаются датчики, после чего молотком последовательно наносятся удары средней силы рядом с местом установки датчика таким образом, чтобы направление удара совпадало с направлением оси датчика. Молоток должен иметь такую форму бойка, чтобы было обеспечено однократное (без двойного удара) касание элемента трубы. Например, закругленную или коническую заостренную форму [78]. Если в сигнале будут присутствовать признаки двойного удара, то он автоматически бракуется программой, и измерение необходимо повторить. С целью обеспечения качества измерений рекомендуется на одном и том же объекте производить не менее 4 серий измерений подряд. Для проведения замеров необходимо сначала создать структуру предприятия и его подразделений, затем паспорта объекта, после чего приступить к регистрации сигналов (рисунок 4.2).
Для проведения регистрации необходимо выбрать значок замера, нажать на нем правую клавишу мыши, появится всплывающее меню, в котором нужно выбрать пункт «Регистрация сигналов».
Если тест измерительного тракта прошел нормально и нестандартных ситуаций не обнаружено, то появляется окно «Регистрация замера». В центральной части окна расположена схема обвязки исследуемого объекта и параметры регистрации замера, слева – структура замера, справа – номера элементов и соответствующих им каналов аналого-цифровой (АЦП) с возможностью их изменения.
Для создания регистраций в замере необходимо выбрать значок замера, нажать на нем правую клавишу мыши, выбрать пункт «Добавить регистрацию» и подобным образом создать необходимое их количество.
Пункт «Регистрация по порядку элементов» в меню «Параметры регистрации замера» отвечает за последовательность, в которой будут проводиться регистрации сигналов с элементов в схеме объекта. Если пункт активен (отмечен галочкой), то регистрация будет проводиться в последовательности, отображенной на схеме, в противном случае после нажатия кнопки «Регистрация» появится окно «Выбор элемента», в котором необходимо будет указать (отметить нажатием левой кнопки мыши) номер элемента, по которому будет произведен удар. Если пункт «Автоматическое нормирование удара» активен, то удаление удара из регистрации сигнала выполнится программой автоматически, иначе данную процедуру необходимо будет проделать вручную [62].
Для просмотра полученных сигналов после удара необходимо отметить пункт «Просмотр сигналов после каждого удара», это необходимо для проверки качества сигнала.
При активном пункте «Одиночные удары» регистрация сигналов производится по одному, при этом появляется возможность изменения порядка регистрации и просмотра сигнала после удара. При снятии активности с пункта пункты «Регистрация по порядку элементов» и «Просмотр сигналов после каждого удара» становятся недоступными. Таким образом, удары производятся друг за другом в соответствии с установленным порядком регистрации без возможности просмотра сигналов после каждого удара.
Последние два пункта «Время регистрации удара (с)» и «Время задержки между ударами (с)» позволяют в допустимых диапазонах подобрать удобные для пользователя промежутки времени. Также эти данные можно ввести в п. 3.5, при этом они будут использоваться по умолчанию для всех замеров.
После проведения всех настроек и создания регистраций необходимо подвести курсор мыши к кнопке «Регистрация», нажать левую клавишу мыши или клавишу «Enter» на клавиатуре. После этого появится окно «Чтение с АЦП», где выведена информация по номерам регистраций, схем, элементов и отображено текущее состояние: «Пауза» – идет подготовка к чтению, «Чтение» – наступило время реализации удара (признаком готовности прибора к чтению сигналов является звуковая команда «БЕЙ»). При необходимости можно прервать процесс нажатием кнопки «Остановить считывание» или «Enter» на клавиатуре.
Переход от одной регистрации к другой осуществляется путем подвода курсора к нужной регистрации и нажатия левой клавиши мыши или при помощи клавиш «Вверх», «Вниз» на клавиатуре.
Просмотр сигналов возможен во время нахождения в окне «Регистрация замера». Для этого выберите интересующий вас элемент нажатием левой клавиши мыши, а затем нажмите правую клавишу мыши, выпадет меню с пунктами: «Просмотр», «Просмотр (общий)», «Удалить элемент». При выборе пункта «Просмотр» открывается окно просмотра сигналов (рисунок 4.3).
Анализ возбужденных резонансных колебаний основан на следующих предпосылках: импульсное возбуждение приводит к возникновению в изделии резонансных колебательных (волновых) процессов с особенностями распространения их в пространстве и во времени. В однородной по плотности среде временные, скоростные и частотные параметры сигнала возбуждения идентичны параметрам эхо-сигнала, а при наличии трещин (раковин, несплошностей), а также при старении материала (когда происходит разрежение или ослабление его структуры) условия прохождения вызванных импульсной нагрузкой колебаний на различных участках объекта в значительной степени отличаются друг от друга. Это позволяет выявить однородные и неоднородные участки в объекте. Анализ энергетических составляющих каждого зарегистрированного сигнала позволяет провести не только качественную, но и количественную оценку состояния объекта.
При анализе состояния элемента ПАТ в сигнале определяются скорость затухания резонансных колебаний, ударная (несущая) частота, наличие отклонений ударной частоты от нормального для данного материала диапазона значений, производится распознавание образа гармоники несущей частоты (анализ формы спектральной картины).
Анализ состояния элемента трубопровода ведется с помощью оценки степени затухания сигнала в соединении и сравнении спектральных параметров сигнала возбуждения и сигнала отклика. Каждое соединение анализируется два раза при различном направлении движения сигнала, когда возбуждение производится с двух сторон соединения поочередно.