CC BY
54
УДК 614.8
Диагностика трубопроводных систем методом динамических испытаний
© Технологии гражданской безопасности, 2009
Г.М. Нигметов Н.А. Парфенов
Аннотация
В статье приводятся результаты экспериментальных исследований по диагностике возможных дефектов моделей трубопроводных систем методом динамических испытаний. Предлагаемый авторами метод динамических испытаний даёт информацию о состоянии контролируемого участка трубопроводной системы по нескольким измерениям контролируемого участка. В результате применения такой технологии происходит существенная экономия времени на диагностику трубопроводных систем без потери качества диагностики. Результаты экспериментов показали, что предлагаемый метод может эффективно применяться для выявления возможных дефектов на контролируемых участках трубопроводных систем.
Ключевые слова: диагностика трубопроводов, динамические испытания.
Pipeline system troubleshooting by dynamic testing
© Civil Security Technology, 2009
G. Nigmetov N. Parfenov
Abstract
The paper describes the findings of experimental trials in field of defect detection in pipeline system models using the dynamic testing approach. The proposed method of dynamic testing provides information about the condition of a pipeline section of interest. The use of this technique for pipeline troubleshooting saves time without any loss in the detection quality. The results of experiments showed that the proposed method can be effectively used for the detection of potential defects in the pipeline sections of interest.
Key words: pipeline troubleshooting, dynamic testing.
Технологии гражданской безопасности, том 6, 2009, № 3-4 (21-22)
/125
Существующий парк трубопроводных систем значительно устарел. Поэтому количество аварий на трубопроводных системах непрерывно увеличивается. Особую опасность представляют аварии на газопроводах, нефтепроводах и продуктопроводах. Существующие методы диагностики трубопроводов носят локальный характер, то есть для получения информации о состоянии контролируемого участка трубопровода его необходимо полностью на всём протяжении детально про-сканировать. От детальности сканирования зависит результат диагностики. Понятно, что локальные методы диагностики требуют больших трудозатрат, а наиболее эффективная из локальных методов внутритрубная диагностика требует отключения диагностируемого участка трубы. В данной статье рассматривается способ интегральной диагностики трубопроводов, разработанный авторами, не требующий детального сканирования. Существенным отличием, предлагаемого метода является получение данных о жесткости участков трубы через период собственных колебаний для всего контролируемого участка путём установки датчиков в одном или нескольких местах участка трубопровода. Метод не требует детального сканирования всего контролируемого участка, а по данным только нескольких измерений делается вывод о техническом состоянии всего контролируемого участка.
В статье исследуются колебания нескольких образцов труб, закрепленных на неподвижных опорах. По результатам колебаний определяется возможность выявления собственных частот, которые в дальнейшем могут использоваться для обнаружения дефектов самой трубы.
Труба Длина,[м] Внешний диаметр,[м] Толщина стенки,[м] Материал
А 2 0,8 Е-03 1.00Е-03 Алюминий
В 2 1.20Е-02 1.00Е-03 Алюминий
С 2 1.50Е-02 1.00Е-03 Алюминий
Э 2 1.80Е-02 6.00Е-04 Алюминий
Е 2 1.60Е-02 1.10Е-03 Сталь
На первом этапе экспериментальных исследований производилось испытание образцов без дефектов. В ходе эксперимента трубы устанавливались на две неподвижные опоры, при этом ее концы жестко закреплялись. Затем по образцу наносились удары металлическим стержнем. Возникшие в результате ударов колебания замерялись датчиками ускорений, установленными в различных точках трубы. Снятый сигнал оцифровывался и передавался на компьютер для дальнейшей обработки. Типичный вид полученных виброграмм (зависимость ускорения от времени) представлен на рис. 1.
По полученным виброграммам анализировались собственные частоты каждого образца в зависимости от расстояния между опорами. Собственные частоты в свою очередь определялись по наличию ярко выраженных пиков в спектрах полученных сигналов. В результате обработки всех проделанных измерений были получены результаты (для нескольких труб), представленные в форме графиков зависимости частот первого и второго тона от величины пролета (см. стр. 127).
Красным цветом обозначены экспериментальные значения частоты, синим — теоретические. Для вычисления теоретических значений использовалась модель неразрезной балки закрепленной на двух неподвижных опорах.
В соответствии с такой моделью частота собственных колебаний определяется по формуле: где ,
1. ю„ — частота собственны колебаний;
2. Ь — расстояние между опорами;
3. Е — модуль упругости материала балки;
4. I — момент инерции поперечного сечения балки;
5. ^ — площадь поперечного сечения балки;
6. р — плотность материала балки;
7. ап — коэффициент, зависящий от типа закрепления, номера тона колебаний и количества пролетов.
Для однопролетной балки а! = 4,73, а2 = 7,8573. Как упоминалось выше, построение графиков проводилось на основе анализа спектральных характеристик полученных сигналов. Для большинства сигналов спектрограммы достаточно легко поддаются анализу, так как имеют ярко выраженные пики на собственных частотах. Типичный вид спектрограммы представлен на рис. 2.
Однако спектральная картина может изменяться в зависимости от параметров (например, сила удара). При определенных значениях этих параметров собственные частоты становятся трудноразличимыми, а так же возникают «ложные» пики, которые могут быть ошибочно приняты за истинные собственные тона трубы. Более того, в спектральных характеристиках могут появляться ярко выраженные пики, которые определяются спектром самого удара, а не свойствами трубы. Так как спектр удара неизвестен, отличить эти пики от собственных частот трубы будет невозможно. Вышесказанные особенности иллюстрирует рис. 3.
Как видно из представленных графиков экспериментальные значения собственных частот близки к теоретическим значениям, при этом их отношение в среднем не превышает раза. Такое отношение, прежде всего, определяется погрешностями измерения параметров трубы и степенью приближенности модели, на основе которой рассчитывались теоретические значения. Основной вывод, который можно сделать из проделанных экспериментов, состоит в том, что есть реальная возможность выявления собственных частот трубопровода по виброграммам, полученным в ходе динамических испытаний. Однако требуется оптимизация системы динамического мониторинга для исключения ложных показаний.
На втором этапе эксперимента выполнялись испытания образцов труб с различными дефектами. Рассмотрим результаты динамической диагностики труб
и
"I
II I I 1 1
ЦАЛ* ¿1
V** г 1 учлАтХА/л/1
I
2.74 299 3 24 3.49 3.74 3.99 4.24 4.49 4.74
ОсъХ: Время , [сек]
5.0
5.25
5.5
5.75 б. 0
6.25
Ушх- =8 91.00: Хтая =3.30045 Датчик 1
||1
В
ъ
и 1
2.74
2.99 3.24 3.49 3.74
3.99 4.24 4.49 4.74 5.0
Ось X: В рема, [сек] Упвк=43б4.Ш: Хтая=4.44775
5.25
5.5
5.75
6.0 6.25
1
1 ь. ] 1
■ 1 М1|Л*АЛЛ1Ллл»А<
1
1 ! 1 I1
1
е
о,
о
н ¡л
2.74 2.99 3.24 3.49 3-74 3.99 4.24 4.49 4.74 5.0
Ось X: Вреш, [сек]
5.25
5,5
5.75 6.0 6.25
Рис. 1. Типичный вид виброграмм
гражданской безопасности, том б, 2009, № 3-4 (21-22)
/127
Граф!
от
Рис. 2. Типичный вид спектрограмм (в области первых трех тонов) колебаний трубы
Таблица 1
Толщина стенки, м Внешний диаметр, м Расстояние между опорами, м Материал Ширина надпила, м
0.0011 0.0161 1.8 Сталь 0.0012
Таблица 2
Номер/Дефект Параметр дефекта Первый тон, герц Второй тон, герц
1 Надпил, длина 1 см. 19.5 47
2 Увеличена глубина. 19.2 48
3 Увеличена глубина. Длина 1.5-2 см. 18.9 49
4 Незначительно увеличена глубина. 17.8 45.9
5 Незначительно увеличена глубина. 17.1 45.6
6 Сквозной прорез стенки. Длина прореза 2 см. 17.4 47
7 Прорез стенки 2.5 см. 14.6 39
с дефектами. Оценивается возможность выявления дефектов трубы на основе изменения величины частот собственных колебаний.
В ходе эксперимента труба с дефектом устанавливалась на две неподвижные опоры, при этом ее концы жестко закреплялись. Затем по образцу наносились удары металлическим стержнем. Возникшие в результате ударов колебания замерялись датчиками ускорений, установленными в различных точках трубы. Снятый сигнал оцифровывался и передавался на компьютер для дальнейшей обработки. По полученным виброграммам (зависимость ускорения от времени) строились спектральные характеристики, по которым определялись собственные частоты трубы. Как было выяснено в пред-
ыдущих экспериментах, спектральная картина виброграмм содержит (за исключением особых случаев) ярко выраженные пики на собственных частотах, что обеспечивает их идентификацию.
В первом эксперименте исследовалось изменение собственных частот трубы (таблица 1) с поперечным надпилом в середине. Величина (длина и/или глубина) надпила увеличивалась в каждом последующем испытании. Результаты испытаний представлены в т аблице 2.
В колонке «Параметр» дефекта представлено словесное описание дефекта. В колонках «Первый тон» и «Второй тон» представлены собственные частоты трубы, определенные по спектральной картине ее колебаний. Из таблицы 1 видно, что при увеличении дефекта (дли-
Упих=133.25 : Хтах=38.14бЕ17
Частота, [герц] Уишг=201.79 : Хшаз^38.14б97
Упнх^59.09 : Хтах=38.14б97
а> х
I
о ь о
О) I
о ^
о
ОТ
а> со о =1
О)
0
1
о о
м о о со
со
I
I
м м
Рис. 3. Вид спектра с трудно различимыми собственными частотами колебаний трубы
Ы
чо
на пропила, глубина) наблюдается снижении основных тонов трубы. Наглядная зависимость величины тона от дефекта (номера испытания) представлена на графиках 1 и 2.
Согласно полученным данным значение первого и второго тона уменьшилось, при этом заметен резкий спад частоты при образовании сквозного пропила стенки трубы.
Во втором эксперименте исследовалась труба, имеющая следующие параметры (таблица 3), с двумя значительными дефектами (отверстия в стенке трубы), которые также увеличивали в каждом последующем испытании. Результаты эксперимента представлены в таблице 4.
Результаты данного эксперимента также подтверждают уменьшение собственных частот трубы по мере
увеличения дефектов. Данная зависимость представлена на графиках 3, 4 и 5.
В результате увеличения размера отверстий произошло снижение (максимальное) первого тона в 1.5 раза , второго — 1.62 раза, третьего — 1.26 раза. По графикам видно, что картина изменения второго и третьего тона является более равномерной, в то время как для первого тона характерны скачки в области дефектов 10—13. Такое поведение первого тона, скорее всего, определяется ошибками интерпретации спектральных характеристик трубы с данной величиной дефектов. По мере увеличения отверстий область первого тона становилась все менее четкой, что иллюстрируют рис. 4.
Очевидно, такой признак можно будет дополнительно использовать для определения возможных раз-
Таблица 3
Толщина стенки,м Внешний диаметр, м Расстояние между опорами, м Материал Примерная длина дефектов (первого\вто-рого), см Положение дефектов (пер-вого\воторого) относительно одной из опор, см
0.0011 0.0150 1.0 Алюминий 1\2.5 27\51
Номер/Дефект Описание дефекта Первый тон, герц Второй тон, герц Третий тон, герц
1 Исходная труба с двумя дефектами. 38.1 96 181.88
2 -//- 37.8 97.9 181.57
3 38.1 98 181.8
4 Увеличено отверстие 2 до 2 см 32.9 85.1 166.93
5 24.4 89 167
6 24 85 167.8
7 Увеличено отверстие 2 до 6 см 24.5 93 165.4
8 24.7 83 165.3
9 -//- 23.8 83.9 166
10 Увеличено отверстие 2 до 10 см 30 82.09 151.7
Номер/Дефект Описание дефекта Первый тон, герц Второй тон, герц Третий тон, герц
11 -//- 30 82.7 151.7
12 30 82 151.91
13 Увеличено отверстие 2 до 18 см 24.7 78 147.09
14 -//- 24.4 76 147.09
15 Увеличено отверстие 1 до 10 см 29 59 143.8
16 29 59 143.43
Таблица 4
Упнзг=51.87 : Хшгш=29.29б8Ё
---——
9.77 12.14 14.52 16.9 19.27 21.65 24.03 26.4 23.78 31.16 33.53 35.91 38.25 40.66 43.04
Частота, [герц] Упвк=15.69 : Хтаа-29.90723
Частота, [герц] Уйшн56.25 : Хтая=29.90723
Частота, [г ерц]
Рис. 4. Пример отсутствия ярко выраженного пика в области первого тона
Зависимость Первого тона от величины дефекта
¿и !
1 0
I У л о
1 о Л 7
1 / Л й
1 О Л £
1 О Л Л
1 4 1 ; > ■ Ве.1 1 ' иипк 1 1 дефе 5 € кта
График 1
График 3. Зависимости первого тона от величины дефекта
График 4. Зависимости второго тона от величины дефекта
Зависимость третьего тона от величины дефекта
185
180
175
170
165
160
155
150
145
140
135
\ л
А г 1
ч. А ГР ц
Я У \
■ V.
ч ь ч
Р1 4*
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Дефект
Зависимость второго тона от величины дефекта
Велнчнна дефекта График 2
меров дефектов. Следует отметить, что размазывания спектров (присутствовавши ярко выраженные пики) не происходило по третьему тону колебаний образцов труб.
Таким образом, результаты двух этапов эксперимента подтверждают возможность применения интегрального динамического метода диагностики труб для выявления возможных дефектов на контролируемых участках. Применение предлагаемого метода позволит существенно сократить затраты и увеличить эффективность диагностики трубопроводных систем.
Литература:
1. Снитко Н.К. «Строительная механика», М.: «Высшая школа».
Сведения об авторах
Нигметов Геннадий Максимович: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), ведущий научный сотрудник. Парфенов Николай Александрович: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), адъюнкт.
График 5. Зависимости третьего тона от величины дефекта
