Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса исследований 18
1.1 Методы контроля местоположения заглубленных трубопроводов 18
1.2 Магнитометрический метод 18
1.3 Инфракрасная термография 19
1.4 Радиационный метод 21
1.5 Радиоволновый метод 21
1.6 Электромагнитный метод 23
1.7 Акустическая локация 26
1.8 Резонансно-акустическое профилирование (РАП) 27
1.9 Выводы по первой главе 29
1.10 Постановка цели и задач исследования 29
2 Разработка усовершенствованного акустико-резонансного метода и информационно-измерительного комплекса контроля местоположения заглубленных трубопроводов 31
2.1 Усовершенствованный акустико-резонансный метод контроля местоположения заглубленных трубопроводов, выполненных из различных материалов
2.2 Устройство для контроля местоположения заглубленных трубопроводов, выполненных из различных материалов 33
2.3 Разработка и создание информационно-измерительного комплекса 35
2.3.1 Разработка и изготовление экспериментальной установки в лабораторных условиях 35
2.3.2 Разработка и создание программного обеспечения для работы информационно-измерительного комплекса 37
2.4 Экспериментальные исследования в лабораторных условиях 39
2.5 Выводы по второй главе 41
3 Определение информативных частотных диапазонов для контроля местоположения заглубленных трубопроводов различного диаметра, длины и материалов с применением гармонического анализа в программном комплексе ANSYS
3.1 Математическая модель объекта контроля 43
3.2 Модальный анализ 44
3.3 Модальный анализ предварительно напряженной конструкции 46
3.4 Гармонический анализ 46
3.5 Методы гармонического анализа
3.5.1 Полный метод 49
3.5.2 Сокращенный метод 49
3.5.3 Метод суперпозиции мод 50
3.6 Метод суперпозиции мод для анализа вынужденных гармонических колебаний 51
3.7 Расчет частотных характеристик трубопровода под действием давления грунта 54
3.8 Расчет информативных частотных диапазонов для контроля местоположения заглубленных трубопроводов 62
3.9 Физика возникновения стоячей волны в трубопроводе 82
3.10 Выводы по третьей главе 87
4 Экспериментальные исследования 88
4.1 Порядок подготовки и проведения экспериментов 88
4.2 Оценка погрешности результатов измерений 89
4.3 Требования по безопасности проведения измерений 91
4.4 Результаты экспериментальных исследований 92
4.5 Выводы по четвертой главе
Заключение 112
Литература
- Радиационный метод
- Устройство для контроля местоположения заглубленных трубопроводов, выполненных из различных материалов
- Модальный анализ предварительно напряженной конструкции
- Требования по безопасности проведения измерений
Радиационный метод
Данный метод относится к методу нахождения скрытых сетей, основанного на излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от различных объектов зондируемой среды. Локация подземных коммуникаций, в частности пластиковых трубопроводов стала разумным и естественным развитием этого метода. Данное направление раскрыто в работах: В.Д. Фельдмана, Л.М. Мережко, С.В. Изюмова, Н.А. Круглова, В.И. Дикарева, В.А. Рогалева, Ф.В. Кармазинова, С.Г. Гумена, Г.А. Денисова и др. [7, 12, 94].
Прибор, реализующий радиоволновый метод контроля местоположения заглубленных трубопроводов называется георадар. Георадар – радиотехнический прибор подповерхностного зондирования представляет собой портативный радиолокатор, направляющий зондирующие электромагнитные импульсы в исследуемую среду (рис 1.3) [4]. При перемещении (сканировании) георадара по поверхности исследуемой среды на экран монитора выводится совокупность сигналов (профиль), по которому можно определить местонахождение, глубину залегания и протяженность объектов. Георадары позволяют осуществлять оперативный неразрушающий контроль подстилающей поверхности при проведении строительных работ, прокладке кабелей и труб, проведении ремонтных работ, а также для использования в археологии и гидрогеологических изысканиях. Георадары обеспечивают высокую точность локализации объектов, предметов и границ раздела геологических слоев и определение глубины залегания, и характер неоднородностей.
Недостатки: значительные размеры и масса аппаратуры, трудно отличить пластиковые трубы с водой от плотного грунта; высокая проводимость мелкозернистых осадочных пород (глин) резко снижают возможности прибора, а скальные и разнородные осадочные породы рассеивают его сигнал; информация, получаемая по результатам работы георадара, очень сложна и требует интерпретации специалистом высокой квалификации и с большим опытом; высокая стоимость и зависимость от условий применения.
Электромагнитный метод основан на регистрации изменения взаимодействия собственного электромагнитного поля катушки с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых этой катушкой в контролируемом объекте [4-5, 71-72, 95-96].
При этом методе используется свойство переменного магнитного поля, изменяющегося с низкой частотой (от единиц до нескольких десятков Герц), проникать сквозь металлические стенки трубопровода и грунт с незначительными потерями, что позволяет обнаруживать это переменное магнитное поле с помощью чувствительных приемников.
Создание переменного магнитного поля производится с помощью электромагнитного генератора (трансмиттера), основным элементом которого является катушка индуктивности с сердечником (антенна). Использование кварцевой синхронизации частот генератора электромагнитного поля и магнитного приемника позволяет обеспечить уверенный прием даже очень слабого сигнала от внутритрубного электромагнитного генератора, что, в свою очередь, позволяет создавать конструкцию передатчика с небольшими габаритами и обеспечивать большой ресурс его работы с минимальным количеством элементов питания.
Данное направление раскрыто в работах: Ю. Плотникова, В.Г. Дыбовского, А.Л. Дорофеева, А.А. Гольянова, А.А. Андреева, В.Н. Иващенко и др.
Трассотечеискатель – прибор, реализующий электромагнитный метод контроля местоположения заглубленных трубопроводов.
Плавающий датчик Ridgid Float Sonde для поиска неметаллических коммуникаций (рис. 1.7) предназначен для обнаружения неметаллических коммуникаций, к которым есть непосредственный доступ и где присутствует ток воды, используется при совместной работе с приемником SR-20 [4].
Принцип работы: передатчик представляет собой герметичный пластиковый шарик диаметром 5 см, в который встроен мини генератор, работающий на частоте 512 Гц. Шарик помещается внутрь коммуникации и под действием потока воды движется по ней, исполнитель отслеживает его перемещения с поверхности земли.
Недостатки метода: не применим к трубопроводам из неметаллических материалов, не является взрывобезопасным, а также слабая избирательность определения трассировки заглубленных трубопроводов, когда в непосредственной близости с контролируемым объектом проходит множество металлических инженерных коммуникаций и различных трасс – кабели связи, силовые кабели, трубы тепло- водо- и газоснабжения; не применим к неэксплуатирующимся трубопроводам, следовательно необходимо создавать перемещение внутритрубного снаряда (скребка), а также необходимо контролировать его прохождение внутри исследуемого объекта, особенно в точках повышенной вероятности застревания – задвижках, кранах, отводах. 1.7 Акустическая локация
Акустические методы традиционно используются для поиска утечек воды. В настоящее время этот метод получил достаточно широкое распространение для контроля местоположения подземных водоводов и особенно пластиковых трубопроводов. В данное время область использования этого метода ограничена локацией трубопроводов с водой. Однако дальнейшее развитие подобных методов расширяет сферу их применения и, в частности, они уже используются для детектирования подземных пластиковых труб с газом.
Акустические методы обширно используют благодаря ряду их достоинств перед другими методами контроля местоположения заглубленных трубопроводов [45, 60, 62, 65, 70, 77]: волны свободно вводятся в объект контроля, хорошо распространяются в металлах, бетоне и других материалах; не являются опасными для персонала; использование различных типов волн (продольных, поперечных, поверхностных, нормальных и других) расширяет области применения; обладают высокой оперативностью: временные затраты на проведение подготовительных работ и работ по техническому диагностированию существенно ниже по сравнению с традиционными методами.
Значительный вклад в развитие метода акустической локации определения местоположения заглубленных трубопроводов внесли С.С. Сергеев, А.Ф. Батанов, ЕЯ. Бубнов, В.В. Гущин, А.К. Миннегулов, С.Н. Рубцов, А.Н. Бороздин, Н.А. Виглин, В.Н. Гусев, В.Л. Кузнецов, В.Е. Овцын, СИ. Чуваев и др.
Приборы, реализующие метод акустической локации для контроля местоположения заглубленных трубопроводов, называются локаторами.
Локатор акустический ЛКА (рис. 1.8) спроектирован специально для нужд внутритрубной диагностики. Он предназначен для отслеживания по звуку положения внутритрубного снаряда (скребка) в трубопроводе [60]. Обладая повышенной чувствительностью, локатор позволяет определить (услышать) движение снаряда на расстоянии до 1,5 км вдоль оси трубопровода.
Выносной микрофон устанавливается на грунт над трубопроводом или на открытые металлические части трубопровода. Выносной кабель позволяет принимать сигнал микрофона на расстоянии до 10 м.
Устройство для контроля местоположения заглубленных трубопроводов, выполненных из различных материалов
Известен комплексный метод обнаружения неметаллических трубопроводов (полимерно-армированных труб) и повреждений на них по изобретению RU № 2328020, МПКG01V3/08, 20.04.2007, заключающийся в том, что в трубопроводе генерируют звуковые колебания, вызывающие механические колебания металлической арматуры трубы в магнитном поле Земли. Измеряют электрическую Е и магнитную Н составляющие возникающего электромагнитного излучения, температуру грунта и уровень шумов, издаваемых средой, транспортируемой по трубе. Недостатком данного метода является сложность определения расположения трубопроводов, связанная с наличием множества контролируемых параметров, а также невозможность поиска металлических трубопроводов.
Задачей предлагаемого изобретения является создание простого способа, обеспечивающего высокую достоверность и избирательность определения расположения как неметаллических, так и металлических трубопроводов.
Усовершенствованный акустико-резонансный метод описан в патенте на изобретение № 2482515 [85] и заключается в генерации резонансных звуковых колебаний в полости искомого объекта, при этом оконтуривание этого объекта осуществляется путем перемещения чувствительного элемента (микрофона или пьезоэлектрического датчика) над зоной поиска.
С помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 2 производится преобразование выходного сигнала ПК 1 в аналоговую форму, а усиление сигнала, поступающего на акустический излучатель 4, – усилителем 3. После регистрации резонансной частоты трубопровода 6 чувствительный элемент 7 перемещают над грунтом в сторону сохранения максимальной амплитуды колебаний грунта на заданной частоте градиентным методом поиска. Регистрация сигнала персональным компьютером 1 производится аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) 8. Для повышения достоверности определения расположения трубопровода поиск повторяют на других резонансных частотах.
Предлагаемый метод позволяет упростить контроль местоположения заглубленных трубопроводов в связи с тем, что возбуждается резонансная частота искомого объекта, повышается избирательность контроля. Метод также обеспечивает высокую достоверность контроля местоположения заглубленных как неметаллических, так и металлических трубопроводов [14-18, 20-24, 27-29, 32-43, приложение А].
Метод реализован в устройстве для контроля местоположения заглубленных трубопроводов, выполненных из различных материалов (рис. 2.2) [14-27] по патентам на полезную модель №120784, №120785 [86-87], принцип работы которого заключается в регистрации чувствительными элементами звуковых сигналов от течи или импульсных волн, которые создаются дополнительно подключаемым к трубопроводу генератором.
Устройство для контроля местоположения заглубленных трубопроводов работает следующим образом. Устройство устанавливается над предполагаемым местом наличия трубопровода. Для определения расположения трубопровода к нему дополнительно подключают генератор импульсных волн.
При помощи телескопических штанг 4 производится регулировка расстояния между чувствительными элементами, что особенно важно при сканировании трубопроводов различных диаметров. Для удобства сканирования регулировку производят таким образом, чтобы микрофоны 7 располагались на одинаковом расстоянии от оси тележки 3. В связи с тем, что микрофоны расположены на определенном расстоянии друг от друга, уровень звукового сигнала в каждом из них будет различным. Для определения оси заглубленного в грунт 1 трубопровода 2 или источника течи тележку 3 перемещают в сторону увеличения сигналов в обоих микрофонах. При этом разность уровней сигналов в обоих микрофонах будет уменьшаться и достигнет минимума при нахождении оси тележки 3 над осью трубы 2 или источником течи.
Таким образом, данное решение позволяет упростить процесс контроля местоположения заглубленных трубопроводов и мест утечек, уменьшением количества сканирующих операций, а также обеспечить достоверное обнаружение трубопроводов различных диаметров и материалов [14-27, приложение Б].
Для тестирования предлагаемого метода контроля местоположения в работе был создан информационно-измерительный комплекс, который состоит из экспериментальной установки и программного обеспечения.
С целью проведения экспериментов на кафедре «ПТЭ» ФГБОУ ВО «КГЭУ» была разработана лабораторная установка. Структурная схема лабораторной установки для контроля местоположения заглубленных трубопроводов представлена на рис. 2.3 [14-23, 88-92] и включает в себя устройство возбуждения (акустический излучатель), пьезоэлектрические датчики, АЦП-ЦАП и персональный компьютер. На акустический излучатель подается гармонический сигнал качающейся частоты в диапазоне от 100 до 4000 Гц. С помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 2 производится преобразование выходного сигнала ПК в аналоговую форму. Для приема виброакустического сигнала в системе применяются пьезоэлектрические датчики марки KD-35. Принимаемый сигнал пьезоэлектрическим датчиком, конвертируется в цифровой код из аналогового сигнала в АЦП и анализируется в персональном компьютере [14-23, 88-92, приложение В, Г]. Внешний вид лабораторной установки представлен на рис. 2.4, 2.5.
Модальный анализ предварительно напряженной конструкции
До проведения выработки и до возведения подземного трубопровода в грунт в неограниченном массиве находится в состоянии естественного или геостатического равновесия при действий собственного веса. При этом на глубине Н в массиве грунта (рис. 3.1) действуют следующие сжимающие напряжения (давления): вертикальные qВ и горизонтальные qГ [112].
Давление грунта на подземный трубопровод оказывается иным, чем давление в нетронутом массиве на той же глубине, так как: во-первых, трубопровод обладает другой жесткостью, чем грунт, во-вторых, перемещения грунта успевают произойти в период времени между разработкой грунта и возведением трубопровода, наконец, в-третьих, между трубопроводом и массивами остаются зазоры, допускающие некоторые перемещения грунта [112].
Давление, оказываемое грунтом на трубопровод, зависит от глубины заложения и жесткости последнего; влажности и степени уплотнения грунта над трубопроводом, и особенно рядом с ним, и от способа возведения трубопровода. Следует различать три основных случая возведения трубопровода: – трубопровод в насыпи (рис. 3.2, а), возведенные или уложенные непосредственно на поверхности земли или в очень небольшом по сравнению с шириной выемки углублении с последующей засыпкой; так обычно сооружаются водопропускные трубы под дорожными насыпями; – трубопровод в выемке или траншее (рис 3.2, б), когда он возводится или укладывается в открытой выработке, имеющей небольшую по сравнению с глубиной ширину и ограниченной более или менее твердыми стенками; пространство рядом с трубопроводов и над ним заполняется грунтом; так обычно укладываются трубопроводы водоснабжения, канализационные коллекторы, водостоки и др ; – трубопровод, возведенный закрытым способом (рис 3.2, в), при котором массив грунта не нарушается с поверхности, этот способ применяется при строительства туннелей и при бестраншейной прокладке трубопроводов [112].
Давление грунта на подземный трубопровод не остается постоянным, а меняется вследствие изменения температурно-влажностных условий и ползучести грунта. В большинстве случаев давление на сооружение постепенно нарастает с течением времени, достигая наибольшей величины через некоторый промежуток времени, с последующим иногда уменьшением. Для определения давления на подземные трубопроводы от грунта последний рассматривают либо в качестве упругой, либо в качестве сыпучей среды [112].
Равнодействующая расчетной вертикальной нагрузки от давления грунта засыпки при укладке трубопроводов определяется по формулам: укладка в траншее (3.16): QТ=nYHBKТР\\r, (3.16) укладка в насыпи (3.17): QН=m[HDНKН. (3.17) За расчетное принимается меньшее значение Q. Если в формуле (3.16) произведение вк окажется больше, чем произведение DНKНв формуле (3.17), определено для того же грунта основания и способов возведения трубопровода, следовательно, при укладке труб в траншее вместо формулы (3.16) следует пользоваться формулой (3.17).
Коэффициенты перегрузок п для внешних постоянных и временных нагрузок принимаются по таблице 3.1 [112].
Величины грунтовых нагрузок, действующих на подземный трубопровод, зависят от уплотнения грунта между стенками трубы и траншеи. Для достижения нормальной степени уплотнения трамбование грунта засыпки выполняется послойно толщиной слоя не более 20 см. Для достижения повышенной степени уплотнения грунта засыпки толщина трамбуемых слоев засыпки назначается из условия обеспечения объемного веса скелета грунта засыпки не менее, кН/м3:
Коэффициент выступания %, т.е. часть вертикального наружного диаметра в долях единицы, находящаяся выше плоскости основания траншеи, определяется по формуле (3.20) [112]: X = 0,5(l + cosa), (3.20) где - угол охвата трубы. Угол охвата трубы основанием 2 может составлять при укладке: 1) на плоское основание с подбивкой пазух - 30; 2) на профилированное основание - 60; 90; 120. Коэффициент концентрации давления грунта засыпки япри укладке труб на ненарушенный грунт в насыпи определяется по формуле (3.21) [112]: З(РЛ+РГР) 321 н 2(PЛ+2PГР) () где рЛ - жесткость трубопровода по М. Леви, МПа; ГР - жесткость грунта засыпки, МПа; ГР = 25ЕГР ГР - модуль упругости грунта засыпки, МПа. Равнодействующая расчетной горизонтальной нагрузки от бокового давления грунта определяется по формулам (3.22, 3.23) [112]: Q = яуХЛ АН ТР ТР - укладка в траншее; (3.22) QВГ =щ(Н + —Н)DНkН - укладка в насыпи. (3.23) За расчетную принимается формула траншеи или насыпи в зависимости от того, которая из формул являлась расчетной при определении . Коэффициенты бокового давления ХТР и ХН следует принимать по таблице 3.4 [112]. Таблица
Требования по безопасности проведения измерений
Согласно требованиям технической документации, инструкции по эксплуатации приборов и ГОСТ проводилась подготовка, настройка и регулировка аппаратуры информационно-измерительного комплекса при проведении экспериментальных исследований [49, 50]. Калибрование пьезоэлектрического датчика KD–35 [54] производилось в реверберационной камере, созданной в лаборатории «Технической диагностики и неразрушающего контроля» кафедры ПТЭ ФГБОУ ВО «КГЭУ» по структурной схеме, представленной на рис.4.1.
С помощью генератора (ГЗ-109) создается звуковое давление до 165 дБ в частотном диапазоне от 20 до 16000 Гц, уровень сигнала, электрический сигнал, проверяется осциллографом. Электрический сигнал, подается на вход персонального компьютера (ПК) посредством аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), который пропорционален уровню звукового давления снимаемого с калибруемого и калибровочного датчиков (Д2 и Д1 соответственно) и в акустической камере. С помощью усилителя/делителя можно калибровать сигнал калибруемого датчика (Д2) либо уменьшением, либо увеличением уровня сигнала. По итогам обработки производится нормирование каждого калибровочного сигнала. Порядок калибрования соответствует требованиям ГОСТ 8.153-75 [48].
Согласно требования ГОСТ Р 8.736-2011 [49, 116] проведена оценка погрешности информационно-измерительного комплекса. Оценка результатов измерений проводилась путем проведения экспериментальных исследований над одной локальной зоной контроля. Были получены 15 значений амплитуды сигнала участка трубы диаметром 0,11 м длиной 1,5 м на частоте 864 Гц: (4.1) По результатам наблюдений амплитуды колебания среднее значение составило = 0,298 В. Среднеквадратическое отклонение результата измерения: (4.2) с учетом соответственно получим = 0,002 В.
Доверительные границы случайной погрешности результата измерения (без учета знака): ), (4.3) где t - коэффициент Стьюдента, составляющий 2,145 для P=0,95. Соответственно = 0,0043 В. Доверительные границы неисключенной систематической погрешности результата измерений: (4.3) где k = 1,1 при P =0,95, i – граница i – ой неисключенной систематической погрешности (без учета знака). Для информационно-измерительного комплекса измерения параметров вынужденных колебаний справедлива формула: (4.4) где пд и ацп - границы неисключенной систематической погрешности измерительного пьезоэлектрического датчика и АЦП соответственно и составляют: пд = ± 0,001 В, ацп ± 0,0075 В. Исходя из этого, имеем: с = 0,0083 В. 0 Проверяем неравенство: 0,8 8. Для соотношение = 4Д5, S(A) S(A) поэтому абсолютная погрешность в обоих случаях вычисляется по формуле: А = K-Sz, где K – коэффициент, зависящий от соотношения случайной и неисключенной систематической погрешностей, S - оценка суммарного среднего квадратичного отклонения результата измерения и определяются по формулам:
При симметричной доверительной погрешности результаты измерений представляют в форме: ±, P С учетом полученных значений для информационно-измерительного комплекса контроля местоположения заглубленных трубопроводов доверительный интервал составил с = ±0,0139 В, при доверительной вероятности P=0,95 (при средних значениях амплитуды колебания = 0,298 В).
В соответствии с ГОСТ Р 12.0.007-2009, ГОСТ 12.0.004-90, технической и эксплуатационной документацией на конкретные средства измерения должны быть выполнены требования по правилам и мерам безопасности при проведении экспериментальных исследований.
К выполнению экспериментальных исследований могут быть допущены лица, прошедшие курс подготовки по эксплуатированию аппаратуры информационно-измерительного комплекса. Измерения выполнять в соответствии с требованиями техники безопасности для работы с измерительными приборами. 4.4 Результаты экспериментальных исследований
Эксперименты проводились на установке, описанной в п.2.3. Эксперименты произведены с различным типом грунта (1 – глина, 2 – суглинок, 3 – песок). Перед началом проведения эксперимента температура окружающего воздуха t = +10С, температура грунта t = +10С (прибор – анемометр Testo 410-1), влажность грунта: для грунта №1 – 20%; для грунта №2 – 15%, для грунта №3 – 25% (прибор - влагомер грунта «МГ-44»).
Исследуемые объекты (трубопроводы) укладывались в грунт. Глубина залегания составляла 0,7; 1 и 1,3 м (от стенки трубопровода до края грунта). Исследования проводились по поверхности грунта вдоль оси трубопровода с интервалом 0,1 м. На каждой контрольной точке произведено по пять измерений для получения усредненного значения амплитуды. Производилось сканирование исследуемого объекта частотами в диапазоне от 100 до 1400 Гц, и определялась резонансная частота по максимуму ее амплитуды. Колебания, воспринимаемые пьезоэлектрическим датчиком, регистрировались информационно-измерительным комплексом [15-17].