DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 20.08.2006

Материалы

загрузка...

Особенности распространения сигналов акустической эмиссии утечек в трубопроводах с жидкостью и аппаратура контроля герметичности

Овчинников Алексей Львович, 20.08.2006

 

При прохождении зондирующего сигнала по трубопроводу через область жидкости с утечкой имеет место нелинейность, которая проявляется в виде эффектов ослабления амплитуды зондирующего сигнала.

Способ дальнего обнаружения утечки в трубопроводе, который основан на регистрации нелинейных искажений в зондирующем сигнале обусловленных его нелинейным взаимодействием с АЭ утечки. Предложенный способ позволяет обнаруживать утечки с расходом 50л/час на расстоянии 1км.

Алгоритм локализации утечки с односторонним доступом, основанный на выделении отдельных мод волновода путем анализа авто- и взаимно корреляционных функций получаемых с разнесенных в пространстве преобразователей. Ошибка локализации предложенного алгоритма не превышает 2 – 2,5м.

Методика фильтрации сигналов АЭ при локализации утечки методом взаймной корреляции основанная на анализе функции когерентности и фазы взаимного спектра и позволяющая повысить точность локализации.

Научная новизна работы:

Установлено, что регистрируемый с внешней стороны трубопровода сигнал АЭ утечки является суперпозицией неоднородных мод жидкостного волновода, основным механизмом ослабления сигнала АЭ при этом является излучение энергии во внешнюю среду.

Получено и экспериментально подтверждено, что при прохождении зондирующего сигнала по трубопроводу через область жидкости с утечкой имеет место нелинейность, которая проявляется в виде эффектов ослабления амплитуды зондирующего сигнала, что может быть положено в основу метода дальнего обнаружения утечек.

Разработан алгоритм локализации утечки с односторонним доступом, основанный на выделении отдельных мод волновода путем анализа авто- и взаимно корреляционных функций получаемых с разнесенных в пространстве преобразователей.

Предложена методика фильтрации сигналов АЭ при локализации утечки методом взаймной корреляции основанная на анализе функции когерентности и фазы взаимного спектра и позволяющая повысить точность локализации.

Практическая значимость и внедрение результатов исследований.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования волноводного характера распространения сигналов АЭ утечек в трубах с жидкостью позволили разработать корреляционный течеискатель ТАК-2005. В разработанном приборе реализована функция обнаружения утечки при одностороннем доступе к дефектному участку трубопровода и методика фильтрации сигналов основанная на анализе функции когерентности и фазы взаимного спектра. Разработанный прибор испытывался в натурных условиях при поиске утечек в трубопроводах тепловых сетей АО «Томскэнерго» и других предприятий г. Томска.

Разработан способ и макет устройства дальнего обнаружения утечки. Результаты работы нашли в отражение научно исследовательской работе «Дальнее обнаружение утечек в трубопроводах» Заказчик фирма Шлюмберже научно-исследовательский центр в Кембридже.

Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований и эксплуатацией разработанного устройства в производственных условиях.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях.

Межрегиональная научно-техническая конференция "Методы и средства контроля герметичности технологического оборудования, коммуникаций и промышленной продукции". г. Дзержинск, 14 мая, 1997 г.

II областная научно- практическая конференция "Качество во имя лучшей жизни", г. Томск, 1997г.

15 Российская научно-техническая конференция -"Неразрушающий контроль и диагностика", Москва, 28 июня-2 июля 1999г.

Научная сессия МИФИ - 2001, Москва 22-26 января 2001г.

VIII региональная научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и техническая диагностика оборудования в процессе эксплуатации", Иркутск, 16-19 октября 2001г.

3-я Международная конференция "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности", Москва 17-19 марта 2004г.

межрегиональная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития минерально сырьевой базы и предприятий ТЭК Сибири», Томск,

III международная научно-технической конференция «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», Тюмень

Личный вклад автора заключается в выполнении всех теоретических исследований изложенных в диссертации, разработке программ экспериментальных исследований и обработке результатов экспериментов, разработке программного обеспечения корреляционного течеискателя ТАК-2005 и структурной схемы системы дальнего обнаружения утечек. Постановка задачи исследований и общее руководство проводилось совместно проф. д.т.н. В.Л. Чахловым и к.т.н. заведующим лабораторией акустико-эмиссионных методов неразрушающего контроля Лапшиным Б.М. Разработка приборов велась под руководством Лапшина Б.М.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований шести приложений. Работа содержит 171 страниц основного текста, 6 таблиц, 46 рисунков, 90 формул.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ из них 6 статей в центральных отечественных изданиях, 10 тезисов докладов. Результаты исследований и разработок изложены также в отчетах о НИР и технической документации на разработанный течеискатель.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика выполненной работы, приведены практическая значимость, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена характеристика объекта контроля, проанализированы основные причины возникновения сквозных дефектов, проведен обзор методов и средств контроля герметичности, действующих трубопроводов, проанализированы основные требования, предъявляемые к методу контроля герметичности участков трубопроводов. В разделе 1.1. на основе проведенного обзора установлено, что на трубопроводах России основной причиной возникновения утечек является коррозия. Минимально возможной утечкой на трубопроводе является утечка с расходом более 50л/час, утечки меньшей величины функционируют не постоянно, повреждение забивается механическими примесями. Показано, что для обнаружения такой утечки наиболее перспективно использовать аппаратуру на основе акустико-эмиссионного метода. В связи с этим в разделах 1.2. – 1.4 рассмотрены физические основы генерации и распространения сигналов акустической эмиссии (АЭ) утечек. Приведены результаты имеющихся экспериментальных исследований, показывающих, что основным механизмом возникновения АЭ при утечках жидкости является гидродинамическая кавитация. Рассмотрены вопросы распространения сигнала АЭ по трубопроводу. Сделаны выводы о расхождении некоторых теоретических и экспериментальных данных по поглощению АЭ, недостаточном теоретическом и экспериментальном исследовании многомодового характера распространения сигнала АЭ в трубопроводе, и отсутствии данных по исследованию нелинейных эффектов, проявляющихся при кавитации. В разделе 1.5. рассмотрены акустические средства обнаружения утечек на трубопроводах, проанализированы их достоинства и недостатки. В разделе 1.6. сделаны выводы и сформулированы направления исследований и задачи диссертации.

Во второй главе рассмотрены вопросы теоретического исследования волноводного характера распространения сигналов акустической эмиссии в трубах с жидкостью.

Акустический тракт распространения сигналов АЭ утечки образован перекачиваемой жидкостью, стенкой трубопровода, пленочной антикоррозионной изоляцией и грунтом. Т.е. среда распространения сигнала является слоистонеоднородной. В определенной таким образом среде в разделе 2.1. методом нормальных волн исследовано поле на больших расстояниях от утечки. При этом предполагалось, что среда бездиссипативная и в ней распространяются упругие осесимметричные волны. В качестве исходных уравнений движения использовались уравнения движения в потенциалах, решения которых представлялись в виде цилиндрических функций. Граничные условия формулировались следующим образом: на границе труба грунт и труба жидкость выполняются равенства нормальных напряжений и смещений, на границе труба грунт касательные напряжения равны нулю, что обусловлено наличием слоя пленочной изоляции. Выражая напряжения и смещения через решения для потенциалов и подставляя полученные выражения в граничные условия, было получено дисперсионное уравнение, корни которого искались численными методами. Решение дисперсионного уравнения показало, что на больших расстояниях от утечки имеет место волноводное распространение звука, при этом характер поведения корней существенно зависит от соотношения скоростей в грунте и в перекачиваемой жидкости. Для плотных грунтов со скоростью звука большей скорости звука в жидкости корни дисперсионного уравнения всегда оказываются действительными, тогда как для рыхлых грунтов корни дисперсионного уравнения комплексные, т.е. имеет место «Черенковское» излучение энергии в грунт. Данный тип волн можно отнести к так называемым вытекающим волнам, существующим на границе твердое полупространство жидкость.

В разделе 2.2. для количественной оценки различных механизмов ослабления рассчитывались внутренние потери энергии и потери энергии, обусловленные излучением. Для учета внутренних потерь в полученном дисперсионном уравнении действительные волновые числа заменялись комплексными, где мнимая часть волнового числа - коэффициент поглощения в соответствующем слое. При определении коэффициента поглощения в жидкости учитывались потери вызванные вязкостью и теплопроводностью, внутреннее трение в жидкости и трение жидкости о стенку трубы, коэффициенты поглощения в стали выражались через известный коэффициент потерь, который для стали IX18H9T равен 4,4 10-4, коэффициент поглощения в грунте выбирался произвольно от 0,1( до 100(, где ( коэффициент поглощения в стали. Результаты расчетов коэффициентов поглощения за счет внутренних потерь представлены в таблице 1.

Коэффициент поглощения, дБ/м Примечание

Частота 0,5 кГц 10 кГц 20 кГц 40 кГц Излучение в грунт

отсутсвует

0 0,008 0.0016 0.0022 0.0034

1 - 0.0016 0.0022 0.0034

2 - 0.0016 0.0022 0.0034

Коэффициенты ослабления, обусловленные излучением рассчитывались для сред без внутренних потерь. В качестве модели грунта использовалась модель сферической упаковки. Расчет излучения проводился для двух крайних случаев: все поры грунта заполнены водой и все поры заполнены воздухом. Результаты расчетов представлены в таблицах 2 и 3

Коэффициент поглощения, дБ/м Примечание