Введение к работе
Актуальность проблемы
Трубопроводный транспорт является самым распространенным средством транспортировки газо- и нефтепродуктов. Это обязывает уделять повышенное внимание состоянию элементов систем транспортировки, в частности трубам, так как аварии, связанные с утечкой нефти или газа, приносят не только колоссальные убытки, но и огромный вред окружающей среде. Десятки лет для контроля состояния трубопроводов среди прочих применяют внутритрубные магнитные дефектоскопы. Среди них есть как системы, передвигающиеся внутри трубы на расстояния до нескольких сотен километров и работающие в автономных режимах, так и небольшие управляемые системы для контроля участков труб малой протяженности. Разработчиками магнитных дефектоскопов в России являются такие организации как ОАО ЦТД «Диаскан», ООО ЦТД «Интроско», ЗАО МНПО «Спектр» и др. За рубежом это Apache Pipeline Products, PJf Limited, Rosen Swiss AG и др. Разработанные этими компаниями дефектоскопы успешно эксплуатируются на территории России и за ее пределами, однако в настоящее время к подобным устройствам выдвигаются новые требования. В частности, с помощью дефектоскопов необходимо не только определять наличие дефекта, но и классифицировать его по типу, а также оценивать его размеры. При этом требования к информативности контроля постоянно растут. Это обстоятельство послужило поводом для проведения комплекса научно-исследовательских работ, направленных на повышение чувствительности дефектоскопов к основным параметрам дефектов на этапе разработки магнитной системы.
Проблемами разработки магнитных систем дефектоскопов в разное время занимались D L. Atherton, J.B. Nestleroth, А.А. Абакумов, П.А. Курбатов, А.В. Павленко и другие. Анализ опубликованных работ показал, что наиболее эффективная методика проектирования предполагает проведение оптимизации магнитной системы дефектоскопа по ряду параметров в соответствии с некоторой целевой функцией. Целевой функцией, как правило, является масса магнитном системы, потребляемая энергия или какие-либо отдельные геометрические параметры и/иди их соотношения. В качестве критериев оптимизации используется обеспечение однородности магнитною поля и заданного уровня намагничивания объекта контроля в области расположения датчиков. В некоторых работах проводится анализ сигналов от дефектов, а уровень намагниченности выбирается исходя из условия обеспечения максимальной амплитуды сигнала от типовых дефектов. Проведенные предварительные исследования показали, что такой подход в общем случае не гарантирует оптимальной чувствительности сигнала к параметрам дефекта. А надеяться на успешное решение задачи надежного определения типа и оценки размеров дефекта по измеренным сигналам можно только решив комплексную задачу, направленную на обеспечение максимальной чувствительности сигнала к параметрам дефекта при удовлетворительном значении отношения «сигнал/глум».
Возможным вариантом реализации такой схемы поиска оптимальной конструкции является расчет сигналов от дефектов непосредственно в процессе оптимизации на каждом шаге итерационною процесса. Однако это приводит к значительному усложнению численной модели и к увеличению времени счета.
Другим вариантом является предварительный расчет сигналов от дефектов и
формирование соответствующей базы данных, позволяющей проводить подробные
исследования сигналов. В большинстве случаев изменение топографии магнитного поля
рассеяния в области дефекта является локальным и практически не влияет на распределение
поля во всей магнитной системе. Таким образом, необходимо создать две численные модели
- модель намагничивающей системы с бездефектным объектом контроля и модель
фрагмента ферромагнитной трубы с типовыми дефектами варьируемых геометрических
параметров, помещенного во внешнее поле. Наличие численных моделей сигналов от
дефектов также будет полезно для разработки алгоритмов распознавания типа дефектов и
оценки их геометрических размеров. — -- 1——і
" PUC НАЦИОНАЛЬНАЯ І БИБЛИОТЕКА I СПекНтрг -fixjA
Цель н задачи исследования
Цель исследования заключается в повышении чувствительности контроля дефектов ферромагнитных трубопроводов с помощью внутритрубных магнитных дефектоскопов.
Для достижения поставленной в работе цели сформулированы следующие задачи: разработка компьютерных моделей и создание программного модуля расчета сигналов от типовых дефектов, формирование соответствующей базы данных; исследование влияния режимов намагничивания на чувствительность сигналов к параметрам дефектов и выбор параметров намагничивающей системы внутритрубного дефектоскопа, обеспечивающей максимальную чувствительность сигнала к глубине дефекта;
разработка дополнительной магнитно-измерительной системы для дефектоскопа, предназначенной для определения положения дефекта на поверхности контролируемой трубы.
Методы исследования
Для расчета пространственного распределения магнитных нолей использован метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе ANSYS. Осесимметричные модели рассчитывались относительно векторного магнитного потенциала с использованием восьмиузловых элементов второго порядка. Трехмерные модели рассчитывались относительно скалярного магнитного потенциала с использованием восьмиузловых элементов первого порядка. Для проведения оптимизационных расчетов применялся алгоритм первого порядка с расчетом Іраднентов целевой функции по параметрам на каждом шаге оптимизации и метод Парето.
Научная новизна работы заключается в следующем: сформулированы требования к разработке намагничивающих систем внутритрубных дефектоскопов, обеспечивающие максимальную чувствительность к параметрам дефекта;
получены новые более информативные зависимости чувствительности сигнала дефектоскопа к изменению глубины дефектов от величины поля намагничивания;
расширены функциональные возможности и достигнута оптимальная чувствительность основной магнитной системы внутритрубного дефектоскопа к глубине дефекта;
обеспечена максимальная эффективность разделения дефектов на внешние и внутренние с помощью дополнительной магнитной системы.
Практическая ценность
Предложенный в работе подход может быть использован при разработке магнитных систем внутритрубных дефектоскопов для обеспечения максимальной чувствительности к различным параметрам дефектов, облегчения последующей классификации дефектов и, в конечном итоге, повышения информативности контроля. Разработанный программный модуль расчета сигналов позволяет проводить детальные исследования сигналов от дефектов, изучать влияние различных параметров дефекта на сигнал, разрабатывать алгоритмы распознавания.
Реализация результатов работы спроектированная на максимальную чувствительность к глубине дефекта магнитная система внутритрубного дефектоскопа (магнитною интроскона) МИ-31 изготовлена и испытана в ООО "Центр технической диагностики "Интроско" (г. Обнинск), о чем имеется акт о внедрении;
сформированная с помощью разработанного интерактивного программного модуля база сигналов от типовых дефектов использована для отработки алгоритмов анализа данных дефектоскопов с целью обнаружения, классификации и параметризации дефектов;
спроектированная для разделения дефектов на внешние и внутренние дополнительная магнитно-измерительная система в составе внутритрубного дефектоскопа изготовлена и продемонстрировала удовлетворительные результаты на испытаниях. Систему предполагается использовать совместно с разрабатываемым дефектоскопом;
на кафедре Электротехники и Интроскопии МЭИ (ТУ) разработана и внедрена в учебный процесс лабораторная работа «Моделирование намагничивания ферромагнитной трубы с помощью метода конечных элементов», о чем имеется акт о внедрении.
Апробация работы
Основные результаты рабогы докладывались и обсуждались на IV Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (Клязьма, 2000г.), девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2002г.). третьей конференции пользователей программного обеспечения CAD-FFM GmbH (Москва 2003 г.), па Международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва 2003 г.).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в семи печатных работах.
Структура и объем диссертации
