Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса исследований 10
1.1. Объекты исследований 10
1.2 Методы технической диагностики трубопроводов 11
1.3 Классификация существующих методов обнаружения утечек 12
1.3.1 Визуальный метод 14
1.3.2 Метод статистики аварий 15
1.3.4 Метод контроля распределения температуры по поверхности теплотрассы
1.3.3 Контактный метод 17
1.3.5 Магнитный метод 18
1.3.6 Метод вихревых токов 20
1.3.8 Прочностной анализ 21
1.3.9 Акустический метод 24
1.4Теоретические основы метода собственных колебаний 27
1.4.1 Классификация акустических приборов, используемых для диагностики труб 28
1.4.2 Определение мест утечек в трубопроводах с помощью корреляционного течеискателя 29
1.4.3 Метод диагностики трубопроводов с помощью комплекса «Вектор» 32
1.5. Постановка задачи 3 6
2 Определение информативных критериев наличия дефектов трубопроводов Зо
2.1. Аналитический метод расчета пластины 38
2.2 Аналитический метод расчета круга 41
2.3 Методы моделирования дефектов произвольной формы 46
2.3.1 История возникновения и развития метода конечных элементов 46
2.3.2 Основы МКЭ 47
2.4 Применение ANSYS для расчета форм колебаний дефектов разного рода 49
2.4.1 Методика расчета форм колебаний круга 50
2.4.2 Методика расчета дефектов произвольной формы 55
3. Локализация и идентификация дефектов трубопроводов 67
3.1 Методы построения алгоритмов поисков дефектов (обзор существующих языков программирования) 67
3.2 Применение программной среды Lab View для построения алгоритма поиска дефектов в трубопроводов 68
4. Экспериментальные исследования влияния размера дефектов на акустические характеристики участков трубопроводов
4.1 Порядок подготовки и проведения экспериментов 77
4.1.1 Порядок подготовки экспериментов 77
4.1.2 Методика проведения экспериментального исследования 78
4.2 Оценка погрешности результатов измерений 78
4.3 Требования по безопасности проведения измерений 81
4.4 Оценка повторяемости экспериментальных данных 81
4.6 Обработка экспериментальных данных 88
Заключение 95
Литература 98
Приложения
- Методы технической диагностики трубопроводов
- Аналитический метод расчета круга
- Применение программной среды Lab View для построения алгоритма поиска дефектов в трубопроводов
- Оценка погрешности результатов измерений
Введение к работе
Надежность и экономичность теплоснабжения городов и промышленных объектов во многом зависит от фактического технического состояния трубопроводов, и, в частности, коррозионного состояния труб [115].
Россия - самая холодная страна в мире с самым высоким уровнем централизованного теплоснабжения в Европе [11]. Суммарная протяженность тепловых сетей составляет 125 тыс. км (в двухтрубном исчислении). Кроме того, в Российской Федерации эксплуатируются магистральные трубопроводы различного назначения общей протяженностью около 230 тыс. км, основную долю которых (более 60 % протяженности) составляют магистральные газопроводы, а остальные транспортируют опасные жидкости, такие как нефть, нефтепродукты, конденсат, широкую фракцию легких углеводородов, этилен и жидкий аммиак [159]. Около 40 % из них отработали более 20 лет [72, 149].
До-лринятия Изменения № 3 к СНиП П-3-79 не менее 60 % тепловой энергии зданий уходило в атмосферу. По данным Минэнерго удельная энергоемкость валового внутреннего продукта (ВВП) в нашей стране выше, чем в развитых странах Западной Европы почти в 3 раза и в 1,8 раза больше, чем в США, т. е. из каждой тонны сжигаемого топлива 500...600 кг сгорает впустую. Главная беда - изношенность трубопроводов, которая ведет к их разгерметизации. В результате разгерметизации трубопроводов потери воды достигают 30...40 %. Россия ежегодно забирает из открытых и подземных источников для коммунальных, промышленных и сельскохозяйственных нужд около 80 млрд. мЗ воды. Ежегодный износ теплотрасс составляет 15 %, а потери тепла в них доходят до 15...20 %. Это в 2,5 раза превышает нормативный уровень. Для сравнения: за рубежом потери не превышают 2 % [ПО].
С ростом протяженности и времени эксплуатации трубопроводов увеличивается число их остановок [38]. Скрытая коррозия приводит к серьезным авариям, которые наносят непоправимый ущерб окружающей среде,
экономике и нередко бывают причиной гибели людей [75, 150]. Поэтому надежная работа тепловых сетей - проблема не только техническая, но и социальная, поскольку напрямую затрагивает интересы населения. И для обеспечения безопасности требуется постоянно увеличивать объемы и качество комплексного диагностирования, материального и финансового обеспечения работ по ремонту и реконструкции объектов [54, 118].
Трубопроводы тепловых сетей являются важным элементом теплоснабжения городов и промышленных объектов [118]. В регламентирующих документах определены условия допустимости дальнейшей эксплуатации трубопровода или проведения его капитального ремонта [103].
Традиционно проблема обеспечения безопасности продления срока службы трубопроводов решается, прежде всего проведением капитального ремонта со сплошной заменой труб или с заменой изоляционного покрытия [117].
Для обеспечения безаварийной эксплуатации Организации тепловых сетей должны иметь достоверную и удобную для понимания и использования информацию о фактическом техническом состоянии труб, на основании которой следует своевременно осуществлять замену «ветхих» участков [118]. Параметрами оценки «ветхого» состояния труб являются:
статистика аварий за минувшие 2-3 года;
время эксплуатации трубопровода;
обследование трубопровода в местах контрольных шурфовок [141].
Основным параметром, по которому определяется «ветхость» трубы, является фактическая, остаточная толщина стенки трубы [118].
В большинстве случаев на трубопроводах теплоснабжения истинная толщина стенки трубы определяется путем замеров при проведении шурфовок [40]. Вскрытие 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 [43].
Получить более полную информацию о толщине стенки трубы на всей
длине участка можно с использованием внутритрубных снарядов оснащенных
ультразвуковыми или магнитоэлектрическими толщиномерами [64].
Проведение этих работ требует вывода участка из эксплуатации со сливом транспортируемого продукта и процесс получения конечной информации является длительным и дорогостоящим. Возможности широкомасштабного использования этого метода ограничены.
«Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок» 2003 года [141] гласят: «Участки с утонением стенки трубопровода на 20% и более подлежат замене». Для принятия решения о замене нужно выполнить поверочный расчет на прочность того участка трубопровода, где обнаружено утонение стенки [104]. Именно уровень напряжений в конкретных местах определяет опасность разрушения - образования течи, или наоборот возможность безаварийной работы трубопровода [116].
В трубах горячего водоснабжения возникают напряжения за счет действуя трех нагрузок [118]:
внутреннее давление;
действие веса трубы, изоляции, воды в трубе;
нагрузки от температуры.
Согласно принципу суперпозиции, действие от каждой нагрузки рассматривается отдельно. Затем результаты суммируются.
Но даже при наличии достоверной информации об изменениях толщины стенки трубы по всей длине участка, расчет на прочность осуществляется по проектным параметрам технического состояния конструктивных элементов трубопровода, таких как скользящие и мертвые опоры, сальниковые компенсаторы и т.п. [115, 132]. В процессе эксплуатации они так же подвержены коррозии и расчетные параметры, например коэффициент трения, отличаются от принятых в расчете. Это приводит к неточностям в определении
фактической степени опасности интервалов коррозионных повреждений на трубах [115].
Таким образом, в настоящее время существует насущная потребность в использовании дополнительного параметра, позволяющего более детально, научно обосновано оценить степень «ветхости» трубы [44].
Работа посвящена разработке метода определения технического состояния трубопроводов по параметрам собственных колебаний, основанного на использовании нового более точного способа поиска дефектов, с применением математического аппарата, программного обеспечения, разработкой и использованием экспериментального акустического диагностического комплекса.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан и создан виброакустический комплекс для диагностики трубопроводов, основанный на анализе акустических сигналов;
определена зависимость между размером дефекта типа «утонение стенки трубопровода» и частотным спектром акустического сигнала;
создан банк данных акустических спектров в зависимости от дефектов трубопровода разных геометрических размеров.
Практическая ценность:
разработана методика диагностики трубопроводов акустическим методом, позволяющая повысить точность обнаружения дефектов;
разработанный экспериментальный акустический диагностический комплекс может быть использован для диагностики других элементов трубопроводных сетей.
Автор защищает:
разработанный и изготовленный экспериментальный виброакустический диагностический комплекс;
способ расчета частот собственных колебаний бездефектных и дефектных трубопроводов и их дефектов методом конечных элементов;
методику локализации дефекта по анализу акустического сигнала;
/
метод определения размера коррозионного дефекта трубопровода анализом частот колебаний на основе алгоритма с использованием нейронной сети;
результаты экспериментальных исследований, выявившие связь между частотами собственных колебаний трубопроводов и наличием в них коррозионных дефектов.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Во введении обоснована актуальность исследований, научная и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту, приведена краткая характеристика работы. Первая глава посвящена обзору литературы по существующим методам неразрушающего контроля трубопроводов, дана оценка состояния вопроса на данный момент, сформулированы цель и задачи исследования. Вторая глава посвящена определению информативных критериев наличия коррозионного дефекта трубопровода. В третьей главе рассмотрены вопросы локализации и идентификации дефектов трубопроводов. Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния размеров дефектов на акустические характеристики участков трубопроводов.
Работа выполнена на кафедре «Механика» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Основные вопросы диссертационной работы изложены в 3 статьях [57,96,97], 18 материалах конференций [7, 13 - 18, 23, 48 - 53, 55, 58, 92, 122], 1 патенте на изобретение [56], 2 авторских свидетельствах [4, 54].
Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII - XI Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (МГУПИ, Сочи - Москва, 2005 -2009), Международной научно-технической конференции «Энергетика-2008: инновации, решения, перспективы» (КГЭУ, Казань, 2008); I - III Молодежных международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (КГЭУ,
Казань, 2006 - 2008); Всероссийской научной молодежной конференции по естественно-научным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу -творчество молодым» (МарГТУ, Йошкар-Ола, 2007), на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях (КВАКУ, Казань, 2006, 2007), на V ежегодном научно-практическом семинаре «Поиск утечек. Методы и приборы» (фирма «ИНКОТЕС», Н. Новгород, 2008).
За поддержку в работе, ценные указания и замечания автор искренне благодарит научного руководителя проф. Петрушенко Ю.Я. и заведующего кафедрой Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения Казанского государственного энергетического университета ВаньковаЮ.В.
Методы технической диагностики трубопроводов
Техническая диагностика трубопроводов является одной из важнейших проблем, несвоевременное решение которой приводит к серьезным аварийным ситуациям в сетях [9].
Магистральные сети в любом регионе России серьезно изношены. Сотни тысяч километров теплотрасс эксплуатируются более 20 лет, хотя амортизационный срок надежной эксплуатации труб больших диаметров (500-800-1000 мм) составляет максимум 16 лет, а внутренних сетей - 8 лет. Хотя, как утверждают специалисты, состояние трубопроводов зависит от эксплуатации, то есть от того, как трубу положили, смонтировали, эксплуатировали и как часто регистрируют малейшее повреждение магистрали [72].
Необходимо учитывать также то, что множество магистралей, принадлежавших до реформы жилищно-коммунального хозяйства ведомствам, переданы теперь централизованным эксплуатирующим энергокомпаниям. И если за последние годы ничего не вкладывалось в эксплуатацию сетей, они передаются в аварийном состоянии. Кроме того, руководители эксплуатирующих организаций часто не знают, в каком состоянии находятся их сети или вообще не догадываются, сколько километров теплотрасс передано им на баланс. Системы диагностики и контроля необходимы именно для того, чтобы сформировать «пакет» данных о тепломагистрали [72].
Насущность решения данной проблемы на современном этапе, помимо социальных и экологических факторов, обусловлена также большой стоимостью замены или ремонта трубопроводов. Тотальное обновление трубопроводной системы практически нереальная задача для любой крупной организации. Ранжирование участков трубопроводов1 по срокам их замены или ремонта позволяет спланировать затраты компании, делает их сбалансированными и обоснованными [60].
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 номинала; - обнаружения места истечения теплоносителя (течи); - факторах, обуславливающих интенсификацию коррозионных процессов на участке (блуждающие токи, заиливание и подтопление каналов и др.) [115]. Существует несколько методов, призванных помочь узнать о том, какой объем теплосетей нуждается в оперативном вмешательстве ремонтных служб [72]. Из них наиболее распространенные это визуальный метод, метод статистики аварий, контактный метод, метод тепловой аэросъемки, прочностной анализ, магнитный метод, метод контроля распределения температуры по поверхности теплотрассы, акустический метод [22, 27, 41, 47, 60, 65, 66, 70, 71, 88, 134, 157, 158, 161]. Чтобы повысить достоверность определения необходимости ремонта для каждого участка теплосети, специалисты стараются использовать разные методы: тепловые, пирометрические, акустические, электрометрические (изучающие процессы коррозии). Комплексирование нескольких методов позволяет повысить достоверность определения эксплуатационного состояния теплопроводов [72].
Возможны несколько систем классификации существующих и разрабатываемых методов контроля утечек в трубопроводах по различным показателям [28, 65,94, 145,155].1. Классификация методов по режиму работы трубопровода.
В зависимости от режима работы трубопровода методы контроля могут быть разбиты на две группы: динамические (без остановки трубопровода) и статические (с остановкой трубопровода).
При динамическом контроле удается обнаружить лишь значительные (более 50 л/ч) утечки. Малые (до 10 л/ч) утечки можно выявить только при остановке трубопровода, т.е. статическими методами. К методам динамического контроля относятся методы отрицательных ударных волн, линейного баланса, ультразвуковой и радиоактивный.
Статический контроль осуществляется методом дифференциального давления и методом падения давления [24,28, 46].2. Классификация методов по периодичности применения [74,77,85].В зависимости от периодичности применения методы контроля делятся также на две группы: периодический контроль, осуществляемый через определенные интервалы времени (от нескольких суток и более), и постоянный (непрерывный) контроль, осуществляемый в течение всего времени эксплуатации трубопровода. Периодический контроль является единственным надежным способом обнаружения очень маленьких отверстий цилиндрической формы.
Существует несколько способов такого контроля [28]:- традиционное патрулирование трубопровода (пешком, на автомобилях, лодках, легких самолетах) обычно не реже одного раза в неделю. При этом используются различные портативные приборы, позволяющие установить наличие и место повреждения; :- запуск в трубопровод различных зондов, оборудованных приборами для обнаружения утечки. При передвижении зонда с потоком жидкости прибор фиксирует наличие и место утечки;- гидравлические испытания остановленного трубопровода, непрерывный контроль при этом осуществляется с помощью методов контроля давления в фиксированных точках трубопровода, контроля мгновенного расхода в фиксированных точках трубопровода и линейного баланса. Методы линейного баланса позволяют обнаружить утечку путем сопоставления количества продукта на. входе и выходе контролируемого участка трубопровода. Количество продукта измеряется установленными на трубопроводе счетчиками или уровнемерами в резервуарах.
Сведение баланса с помощью счетчиков производится непрерывно, а спомощью уровнемеров - с интервалами в 1-2 ч; - использование отрицательных ударных волн. Этот метод впервыенашел применение в Западной Европе. В других регионах, в частностив США и Японии, использование этого метода датируется значительноболее поздним периодом.3. Классификация методов по измеряемым параметрам, явлению, принципу действия [28,94,135,155].
В зависимости от измеряемого параметра, эффекта, сопровождающего утечку, и принципа действия методы контроля утечек включают контроль расхода в одной или нескольких точках трубопровода, давления в одной или нескольких точках трубопровода, уровня звука в трубопроводе и наличия радиоактивного вещества вблизи трубопровода. Ниже приводится описание некоторых методов обнаружения утечек [140,27]. Сущность метода заключается в обнаружении мест утечек жидкости из подземного трубопровода в процессе осмотра трассы трубопровода с помощью обходчиков, автотранспорта и авиации [77, 85]. Основными признаками визуального обнаружения утечки являются: видимый выход на поверхность трассы трубопровода жидкости или испытательной среды, например, воды; изменение цвета (пожелтение) растительности; изменение цвета (потемнение) снежного покрова; появление пены или пузырей на поверхности воды; Эти признаки позволяют установить наличие и район утечки из трубопровода. Интенсивность выхода и объем накопления утечки зависят от величины утечки, давления в трубопроводе, структуры грунта, рельефа местности и т.п. Достоинства метода:
Аналитический метод расчета круга
Круглые пластины, отнесенные к полярной системе координат xi = г, х2 = 0 (параметры Ламе равны Hi = 1, 1 = г), при колебаниях подчиняются уравнению рто Dи краевым условиям, получающимся из условий, приведенных в табл. 2 после подстановки (2.14) и сокращения на cos[»(6 - во)] Общее решение уравнения (2.15) может быть найдено по методу факторизации и записано в форме t n=ClnJnWr) + C2nNn(M+CiJn(M + C4„K„($r), (2.17) где использованы стандартные обозначения для цилиндрических функций.
Круговые в плане пластиныДля круговых пластин из условия ограниченности решения в центре (г = 0) постоянные С2п С411 = 0. Для определения оставшихся констант используют краевые условия (см. табл. 2.1). Уравнение частот получают из условия существования ненулевого решения для Cin (равенство нулю определителя
С целью отработки методики определения размера коррозионного поражения, по вышеприведенным формулам были рассчитаны частоты собственных колебаний гибких пластин различного диаметра и толщины, моделирующие дефект (утонение стенки) с использованием уравнений частот для круговых пластин [96]. Гибкие пластины представляли из себя плоский диск, жестко защемленный по всей длине окружности, материалом которого являлась сталь СтЗ с плотностью р = 7860 кг/м3, коэффициентом Пуассона v = 0,3 и модулем упругости Е = 20-10 Н/м .
В результате расчетов были получены данные, представленные в таблице 2.3 [15, 18].Если пренебречь тангенциальными силами инерции и использовать техническую теорию, то после введения функции усилий % дифференциальные уравнения принимают вид [19]:
При применении этой системы тангенциальные краевые условия должны быть выражены через функцию усилий %. Например, условия свободного опирання, аналогичные условиям Навье (условия Власова), можно записать Для случая преимущественно нормальных форм колебаний могут быть использованы уравнения (2.22). Решение приводит к следующей формуле для частоты:
Если колебания с достаточной степенью точности описываются уравнениями теории пологих оболочек, и тангенциальными силами инерции Для дефектов с малой протяженностью в радиальном направлении достаточно использовать уравнения для гибких пластин, при большой же протяженности в радиальном направлении необходимо использовать уравнения для оболочек Кирхгофа-Лява.
Указанные формулы можно применить лишь для расчета частот дефектов несложной формы. На самом деле форма коррозионного поражения может иметь произвольный вид, поэтому проведен анализ других существующих методов расчета [14, 49, 55, 58].
Возникновение метода конечных элементов (МКЭ) связано с решением задач космических исследований (1950 г.). Этот метод возник из строительной механики и теории упругости, а уже потом был осмыслен математиками, которые часто называют данный метод вариационно-разностным, подчеркивая тем самым его математическую природу. Они занимаются математическим обоснованием МКЭ, т.е. проводят теоретический анализ его сходимости и точности результатов. Представители же инженерного направления решают довольно сложные технические задачи, часто не задумываясь над строгим обоснованием применяемых ими приемов, а построенные алгоритмы и программы проверяют на известных точных решениях.
Существенный толчок в своем развитии МКЭ получил после того, как в 1963 г. было доказано, что этот метод можно рассматривать как один из вариантов известного в строительной механике метода Рэлея-Ритца, который путем минимизации потенциальной энергии позволяет свести задачу к системе линейных уравнений равновесия [63].
Связь МКЭ с процедурой минимизации позволила широко использовать его при решении задач в других областях техники. Метод применялся к задачам, описываемым уравнениями Лапласа или Пуассона (например, электромагнитные поля). Решение этих уравнений также связано с минимизацией некоторого функционала. Известны решения с помощью этого метода задач распространения тепла [59, 143] задач гидромеханики и, в частности задач о течении жидкости в пористой среде [84, 148].
Область применения МКЭ существенно расширилась,, когда в 1968 г. было показано, что уравнения, определяющие элементы в задачах строительной механики, распространения тепла, гидромеханики, могут быть легко получены с помощью таких вариантов метода взвешенных невязок, как метод Галёркина или способ наименьших квадратов. Установление этого факта сыграло важную роль в теоретическом обосновании МКЭ, т.к. позволило применять его при решении многих типов дифференциальных уравнений. Таким образом, метод конечных элементов из численной процедуры решения задач строительной механики превратился в общий метод численного решения дифференциальных уравнений или систем дифференциальных уравнений. Этот прогресс был достигнут за довольно короткий срок, благодаря совершенствованию компьютерной техники [61, 63, 113, 137].
Основная идея метода конечных элементов (МКЭ) состоит в том, что любая непрерывная величина (температура, давление, перемещение) аппроксимируется дискретной моделью, построение которой выполняется на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей. Алгоритм построения дискретной модели изучаемой непрерывной величины заключается в следующем [63, 136]:- В рассматриваемой области фиксируют конечное число точек. Эти точки в дальнейшем называют узлами.- Полагают, что исследуемая непрерывная величина в каждом узле является переменной, подлежащей определению в процессе решения задачи.- Область изменения непрерывной величины разбивают на элементы. Эти элементы имеют между собой общие узлы и, в совокупности, аппроксимируют форму области в целом.- Непрерывную величину аппроксимируют в пределах каждого элемента полиномом, коэффициенты которого рассчитывают на основании значений этой величины в узлах. Каждый элемент аппроксимируют своим полиномом, а коэффициенты полиномов подбирают таким образом, чтобы сохранялась непрерывность величины вдоль границ соседних элементов.
Основная концепция МКЭ может быть наглядно проиллюстрирована на одномерном примере растяжения стержня длины L вдоль его оси, показанном на рисунке 2.1. Рассматривается непрерывная величина U(x) - перемещение точек стержня вдоль оси х. Область определения U(x) - отрезок OL вдоль оси х.
В настоящее время одним из основных методов решения задач расчета напряженно-деформированного состояния конструкций является метод конечных элементов (МКЭ). Его основное достоинство - возможность рассматривать детали любой формы, в то время как аналитические решения могут быть получены только для задач с достаточно простой геометрией [13, 15, 50]. Этот факт, а также появление целого ряда коммерческих программ, реализующих МКЭ, сделали его основным инструментом инженера, выполняющего расчеты на прочность. Для правильного и эффективного применения таких программ необходимо как знакомство с их интерфейсом, так и хорошее знание математических основ метода и связанных с ними ограничений и источников ошибок (погрешностей) решения.
Применение программной среды Lab View для построения алгоритма поиска дефектов в трубопроводов
На базе LabView 8.5 было разработано программное обеспечение «Inspector» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009612056) [54].nporpaMMa«Inspector» предназначена для контроля трубопроводов и может применяться для акустической диагностики различных линейно протяженных изделий.
Программа состоит из трех подпрограмм, которые обеспечивают выполнение следующих функций:- запись сигнала в звуковые файлы от двух пьезодатчиков (форматфайлов wrm и wav);- обработка записанных данных;
Для определения расстояния от одного из датчиков до дефекта необходимо знать скорость распространения пульсаций в жидкости, заполняющий трубопровод и распространяющихся волн от дефекта по трубопроводу. Эта скорость несколько ниже скорости звука в жидкости, заполняющей трубу, т.к. упругая деформация стенок трубопровода, происходящая при этом, приводит к потере скорости распространения этих пульсаций. Для стальных и чугунных труб данная величина лежит в диапазоне от 1100 м/с до 1300 м/с.
Теоретически скорость V определяется с помощью известного уравнения Н.Е. Жуковского [125]: где р- плотность жидкости; К - объёмный модуль упругости жидкости; D- внутренний диаметр трубы; h- толщина стенки трубы; Е- модуль упругости материала трубы. Точность таких расчетов скорости, также как принятия средней по диапазону, невелика и составляет ± 10%. Соотношение D/h, входящее в формулу (3.1) может изменяться в процессе эксплуатации из-за износа стенки и налетов на ней, кроме того на одном участке трубопровода могут быть участки с различной толщиной - это приводит к тому, что расчетные значения скорости могут существенно изменяться, что приводит к ошибкам в расчетах местоположения утечки или дефекта. Кроме того, формула (3.1) не учитывает демпфирующего влияния теплоизоляции. Она также справедлива только для относительно низких частот акустических сигналов (до 1000 Гц). Более высокочастотные колебания, характерные для изгибных и оболочечных форм колебаний трубы, могут распространяться с другими значениями скоростей, т.е. суммарный сигнал, воспринимаемый датчиками, будет содержать составляюшие, пришедшие по нескольким путям со своими временами распространения. Что приводит к появлению дополнительных максимумов в функции корреляции и дополнительным ошибкам при поиске места дефекта. Для того чтобы иметь фактическое значение скорости распространения пульсаций потока в конкретном трубопроводе и повышения точности измерений, необходимо определение скорости пульсаций в процессе каждого измерения [126].
Эту функцию выполняет подпрограмма «Определение скорости звука». Она сравнивает между собой сигналы, пришедшие от двух пьезоэлектрических датчиков, и вычисляет временную задержку прихода сигнала т, которая определяется по максимуму функции корреляции. На лицевой панели программы (рис. 3.4) необходимо задать расстояние между датчиками L, после
Корреляционный метод обнаружения утечек и дефектов в трубопроводах и определения мест их расположения основан на измерении виброакустического сигнала, генерируемого дефектом, с помощью двух датчиков, установленных непосредственно на трубопроводе. Если два датчика установить с двух сторон от предполагаемого места дефекта и измерить взаимно-корреляционную функцию (функцию кросскорреляции), то в этомслучае можно определить разницу (задержку) по времени распространения сигнала от дефекта до одного и до второго датчика.
Задержка определяется по максимуму функции кросскорреляции сигналов, измеренных датчиками. При известной скорости распространения сигнала (звука) по трубе и, зная расстояние между датчиками, можно точно определить место расположения дефекта с помощью расчета по формуле: где / - расстояние между датчиками; v - скорость распространения звука в трубе (м/с); t - задержка по времени, определенная по максимуму функции кросскорреляции сигналов, измеренных двумя датчиками; 1\,2 - расстояние от дефекта до одного (1) или другого (2) измерительного датчика. Знак ± определяется тем, до какого из 2-х датчиков определяется расстояние от дефекта, первого или второго [129]. Подпрограмма «Определение местоположения дефекта» вычисляет расстояние от каждого из двух датчиков до места нахождения дефекта по формуле 3.2. На лицевой панели данной программы (рис 3.6) устанавливается: - скорость распространения импульсов по трубе; - расстояние между датчиками; - путь к файлам, содержащим записанные сигналы от первого и второго датчиков. D: \Іііанипь\Дспіті пура\Прог рант Рис. 3.6 Лицевая панель подпрограммы «Определение местоположения дефекта» Блок-схема программы приведена на рис. 3.7. Экспериментальные исследования, результаты которых обсуждаются в данной главе, проводились для решения следующих задач: а) отработки методики измерения амплитудно-частотных характеристик колебаний дефектов трубопроводов; б) установления зависимости акустических характеристик трубопроводов от наличия в них дефектов; в) экспериментальной проверке достоверности результатов математического моделирования, выполненного во второй главе диссертации; г) разработки автоматизированной системы для обнаружения, исследования и анализа дефектов разного рода в трубопроводах. При проведении экспериментов проводилась подготовка, настройка и регулировка применяемой в измерительно-диагностическом комплексе аппаратуры согласно требованиям, изложенным в технической документации, инструкции по эксплуатации конкретных приборов и ГОСТ [35]. Калибрование пьезоэлектрического датчика KD — 35 [36] производилось в реверберационной камере КЗ, созданной в лаборатории «Эксплуатации и технической диагностики» кафедры ПТС КГЭУ по схеме, представленной на рис.4.1. Электрический сигнал, уровень сигнала, контролируется осциллографом, с генератора ГЗ-109 подается на акустическую камеру, которая позволяет создавать звуковое давление до 165 дБ в диапазоне частот от 20 Гц до 16000 Гц. Электрический сигнал, пропорциональный уровню звукового давления в акустической камере и снимаемый с калибруемого Д2 и калибровочного Д1 датчиков, подается на вход ПК с АЦП. Сигнал с калибруемого датчика проходит через усилитель/делитель, с помощью которого можно откалибровать сигнал датчика Д2 либо увеличением уровня сигнала, либо его уменьшением. По результатам обработки калибровочных сигналов нормируется каждый сигнал. Порядок проведения калибровки соответствует требованиям ГОСТ 8.153-75 [33].
Оценка погрешности результатов измерений
Оценка погрешности измерительной системы проводилась вероятностно-статистическим методом, определенным ГОСТ 8.207-76, предусматривающим определение погрешности по характеристикам законов распределения погрешностей средств измерений, входящих в состав системы [34].
Оценка результатов измерений проводилась путем получения среднего арифметического 15 наблюдений условной амплитуды колебания стальной трубы диаметром 0,159 м длиной 1 м: по результатам наблюдений для установки среднее значение амплитуды колебания: Среднеквадратическое отклонение результатов измерений оценивают по формуле: с учетом Ас соответственно получим S(AC) = 0,0084. Доверительные границы (без учета знака) случайной погрешности результатов измерений вычисляют по формуле: где t - коэффициент Стьюдента, составляющий 2,086 для Р=0,95. Соответственно ес 0,0177. ( Доверительные границы неисключеннои систематической погрешности результата измерений вычисляем по формуле: Где Л: =1,1 при Р =0,95, 0,- - граница / -ой неисключеннои систематической погрешности (без учета знака). Для экспериментальной установки измерения параметров свободных колебаний справедлива формула: неисключеннои систематической погрешности пьезоэлектрического датчика и АЦП соответственно и составляют: 0 ч = ±0,00102, 0ацп ± 0,0075 вольт. Исходя из этого, имеем: Проверяем неравенство: 0,8 —— 8. Для 0 соотношение 0_ .— -0,99 5 поэтому абсолютная погрешность в обоих случаях S(A) вычисляется по формуле: Д = ,%, где К - коэффициент, зависящий от соотношения случайной и неисключеннои систематической погрешностей, .% - оценка суммарного среднего квадратичного отклонения результата измерения и определяются по формулам: С учетом полученных значений для диагностического комплекса Ас = ± 0,0556 В, при доверительной вероятности Р=0,95 при результатах измерений Ас = 0,9058 В.
При выполнении измерений должны быть соблюдены требования по правилам и мерам безопасности, установленные инструкцией по охране труда испытателя измерительных систем в соответствии с ГОСТ 12.0.004-90, ГОСТ 1.26-77 и изложенные в технической и эксплуатационной документации на конкретные средства измерений [31].
К выполнению измерений могут быть допущены лица, имеющие среднее специальное образование и прошедшие курс подготовки по эксплуатации данного вида измерительных систем. Выполнение измерений проводить в строгом соответствии с требованиями техники безопасности для работы с электроизмерительными приборами.
Высокие требования к достоверности проведения экспериментальных измерений и возможность повышения чувствительности рассматриваемых методов акустического контроля накладывают жесткие требования к таким условиям проведения эксперимента, как:необходимость однообразной укладки исследуемой трубы на измерительный стенд,- удар для возбуждения собственных колебаний должен наноситься с постоянной силой строго в определенную точку трубы, - пьезоэлектрический датчик должен располагаться на одном и том же расстоянии от места нанесения удара, которое не должно меняться при проведении экспериментальных измерений.
Соблюдение этих требований реализовано в конструктивных особенностях экспериментальной установки и применении специальных приспособлений для контроля условий проведения экспериментов. При проведении экспериментов контроль постоянства указанных параметров проводился путем многократного повторения измерений акустических характеристик одной и той же трубы с неизменными условиями измерений [153].
При исследовании акустических характеристик на трубе проведено 15-кратное измерение акустических параметров. По трубе наносился удар и проводилось измерение амплитудно-частотных характеристик отклика пьезодатчиком, закрепленным на трубе. После каждого измерения труба снималась со своего места и укладывалась вновь. Остальные условияэксперимента не изменялись. Значения амплитуды колебаний стальной трубы взависимости от порядка измерений представлены в таблице 4.1.
